Orientador: Paulo Sollero / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T00:33:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hoefel_SimonedosSantos_D.pdf: 926109 bytes, checksum: 6968cbf6729fc86ee69728a2e4739116 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho é desenvolvida uma formulação do método dos elementos de contorno para análise de estruturas formadas pela associação espacial de placas de laminados compósitos. Inicialmente, as formulações do método dos elementos de contorno, desenvolvida para pro­blemas de elasticidade plana e de flexão em placas finas para materiais anisotrópicos, são as­sociadas obtendo-se uma estrutura plana, denominada macro-elemento. Um macro-elemento contém simultaneamente os estados de flexão em placas finas e extensão (chapa) e possui quatro graus de liberdade por nó, sendo eles: deslocamento normal, tangencial e transver­sal e rotação normal. O modelo final assume uma associação desses macro-elementos no espaço. Cada macro-elemento é tratado como uma sub-região do MEC. As equações de cada sub-região, após as transformações de coordenadas, são acopladas através de equações de equilíbrio e compatibilidade. O tratamento numérico é feito através do método dos elemen­tos de contorno usando elementos constantes e quadráticos. Com o objetivo de validar a formulação desenvolvida, vários exemplos numéricos são analisados, os resultados obtidos são comparados com resultados analíticos e numéricos disponíveis na literatura / Abstract: In this work a boundary element formulation is developed for the analysis of structures formed by three-dimensional association of symmetric laminated composite plates. Initially, the boundary element formulations developed for plane elasticity anisotropic problems and bending of anisotropic thin plate problems are associated in one plane structure with four degrees of freedom per node given by normal, tangential and transverse displacements and normal rotations. Then, the formulation is extended in order to allow the plane assembling of these structures. In the two-dimensional formulation, each plane element is defined as macro­element containing out-of-plane (bending) and in plane (stretching) degrees of freedom. The final system is obtained by assuming each individual plane structural element as a sub-­domain. After the necessary transformation of these equations, they can be combined in order to take into account displacement compatibilities and traction equilibrium conditions. The numerical treatment is carried out by the direct boundary element method. Numerical examples are presented and their results are compared to results available in literature / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Eder Lima de Alburquerque, Paulo Sollero / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-14T09:43:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santana_AndrePereira_M.pdf: 7222618 bytes, checksum: bdf2ef461db36640bbac335c4317c1ae (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho apresenta formulações dinâmicas do método dos elementos de contorno para a análise de placas finas anisótropicas. As formulações utilizam soluções fundamentais da elasto-estática e os termos de inércia são tratados como forças de corpo. As integrais de domínio provenientes de forças de corpo são transformadas em integrais de contorno usando o método da reciprocidade dual (DRM) e o método da integração radial (RIM). No DRM, é escolhida uma solução particular e a função de aproximação é obtida usando a equação de equilíbrio. No RIM, quatro funções de aproximação são usadas. São implementados formulações para análise modal e análise transiente de placas finas. Na análise modal, a formulação integral é transformada em um problema de auto-valores e auto-vetores onde os auto-valores estão relacionados às frequências naturais e os auto-vetores são os modos de vibrar. Na análise transiente, a integração no tempo é realizada usando o método de Houbolt. Apenas o contorno é discretizado em todas as formulações implementadas. Os resultados numéricos mostram boa concordância com os resultados disponíveis na literatura e também com resultados do método dos elementos finitos. / Abstract: This work presents dynamic formulations of the boundary element method for the analysis of anisotropic thin plates. Formulations use elastostatic fundamental solutions and inertia terms are treated as body forces. Domain integrals that come from body forces are transformed into boundary integrals using the dual reciprocity boundary element method (DRM) and the radial integration method (RIM). In the DRM, a particular solution is chosen and a approximation function is obtained using the equilibrium equation. In the RIM, four different approximations functions are used. Formulations for modal and transient analysis are implemented. In the modal analysis, the integral formulation is transformed in a eigen-value and eigen-vector problem where the eigen-values are related to natural frequencies and the eigen-values stand for vibration shape modes. In the transient analysis, the time integration is carried out using the Houbolt method. Only the boundary is discretized in all implemented formulations. Numerical results show good agreement with results available in literature as well as finite element results. / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Euclides de Mesquita Neto / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T22:28:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Labaki_Josue_M.pdf: 3947759 bytes, checksum: c5da0923c5de9a3144d7bb1d71187a9e (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Estados auxiliares são soluções analíticas ou numéricas para operadores matemáticos, sujeitas às condições de contorno de um determinado problema da física matemática. Embora a solução de tais estados tenha aplicação prática limitada a problemas elementares, pode ser utilizada para resolver problemas reais de engenharia através de formulações como o Método dos Elementos de Contorno (MEC). Neste trabalho, usa-se a linguagem Fortran para implementar uma formulação indireta do MEC, utilizando um estado auxiliar viscoelastodinâmico não-singular, com o objetivo de analisar problemas de domínios limitados ou ilimitados, sujeitos a carregamentos estacionários, discretizados somente no contorno por elementos retangulares, constantes e descontínuos. Valida-se minuciosamente uma implementação para este estado auxiliar, e para isso desenvolve-se um estudo sobre quais são, como utilizar e quais as limitações das fontes de validação disponíveis para este tipo de problema. Ao fim, compara se alguns resultados obtidos com o programa em Fortran frente às respostas clássicas da bibliografia para problemas dinâmicos de barra, viga e domínios ilimitados. / Abstract: Auxiliary states are numerical or analytical solutions for mathematical operators, subjected to the boundary conditions of a given problem. Although the solution of these states has its utility limited to elementary problems, it can be used to solve a more real sort of engineering problems through formulations such as the Boundary Element Method (BEM). This work describes an implementation of BEM's Indirect formulation, based on a non-singular, viscoelastodynamic auxiliary state, aiming the analysis of both limited- and unlimited-domain problems, subjected to stationary loadings. The problem is modeled by means of constant, discontinuous, rectangular boundary elements. The present implementation for the viscoelastodynamic auxiliary state is carefully validated. For this purpose, this work also describes a study on validation sources for this kind of states, including their uses and limitations. The final program, written in the Fortran programming language, is used to analyze classic elementary engineering problems, such as bars and beams, and also the case of unlimited domains. / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Este trabalho trata da formulação do Método dos Elementos de Contorno para o problema de flexão de placas através da teoria clássica de Kirchhoff. Ênfase especial é dada a placas com variação de espessura uma vez que este tema é muito pouco abordado. O estudo de flexão de placas com variação de espessura é exercida em vários campos, tais como engenharia civil, engenharia aeroespacial e projeto de máquinas. Adotou-se uma variação linear da rigidez, resultando nas equações integrais de deslocamentos com termos de domínios, que serão tratados por discretização do domínio em células. / This work deals with the formulation of the Boundary Element Method applied to plate bending problem using the Kirchhoff\'s theories. Special emphasis is given to plates with varying thickness since this subject is not much tackled. The study of the bending of plates of variable thickness is pursued in various fields, such as civil engineering, aerospace engineering, and the design of machines. It was adopted linearly varying rigidity, giving integral equations of displacements with domain terms, that will be treated by domain discretization into cells.

Neste trabalho utiliza-se uma formulação do método dos elementos de contorno (MEC) para a análise de pavimentos de edifícios, dando-se particular ênfase à análise de lajes cogumelo feita com a incorporação da não-linearidade física. Nesta formulação são consideradas as tensões normais e cisalhantes possibilitando, assim, a determinação da resistência última da estrutura. A formulação é inicialmente desenvolvida para a análise de flexão de placas utilizando-se a teoria de Reissner. A seguir, a formulação é estendida de modo a considerar a interação da placa com outros elementos, como vigas e pilares. Na interação placa-viga, o enrijecimento produzido é computado através de uma combinação com o método dos elementos finitos. Este modelo permite uma avaliação precisa dos momentos e forças cortantes nas interfaces da placa com os elementos lineares. Admite-se a ocorrência de um campo de momentos iniciais, viabilizando, dentre outros, o estudo de pavimentos com não-linearidade física. Para a análise do comportamento não-linear, implementa-se um algoritmo incremental-iterativo baseado no método da rigidez inicial. Visando-se obter uma melhor representação do comportamento do concreto armado, a integração das tensões ao longo da espessura é feita por um esquema numérico tipo gaussiano; a contribuição da armadura é feita de modo discreto considerada concentrada em seu centro geométrico. Pode-se, assim, avaliar separadamente o processo de danificação do concreto e o escoamento das armaduras. Para o concreto adota-se o modelo de dano de Mazars e para as armaduras longitudinais, um modelo elastoplástico uniaxial com endurecimento isotrópico. Quanto à absorção dos esforços oriundos das tensões cisalhantes, adota-se um modelo semelhante à idealização da treliça clássica de Ritter e Mörsch para vigas de concreto armado. Admite-se ainda que, após o início da fissuração, as tensões cisalhantes sejam absorvidas apenas pelas armaduras transversais. Para estas, adotase comportamento elástico linear. Objetivando-se a comprovação da eficiência da formulação proposta, são analisados alguns exemplos cujos resultados são comparados com resultados experimentais ou resultados de outros métodos de análise / This work deals with a formulation of the boundary element method applied to slab floor analysis with special emphasis concrete flat slabs exhibiting physical non-linearities. In this formulation normal and shear components of the stress tensor are taken into account to capture more accurately the ultimate strength of the structural element. The boundary element formulation in the context of Reissner’s plate bending theory is initially studied. Then, the formulation is extended to deal with combinations of plate elements with other elements such as beams and columns and also to incorporate internal support effects, for which full contact is assumed over small areas. The plate-beam and plate-column interaction model is based on a combination with the finite element method. Thus, this model allows an accurate evaluation of the internal forces along the plate-linear element interfaces and also over its vicinity. The presence of possible initial moment fields is also taken into account, which enables us to consider physical non-linear behaviours. The solution of the nonlinear system of algebraic equations is based on an iterative algorithm with constant matrix. In order to obtain a better modelling of the reinforced concrete slabs, the stress integrals along the thickness are performed with an appropriate gauss scheme; the reinforcement contribution is computed by considering concentrated effects at its geometric centre. Thus, the concrete degradation and the steel yielding can be independently evaluated. To represent the concrete behaviour the Mazars’ damage model has been adopted, while the steel material is governed by a uniaxial elastoplastic criterion with isotropic hardening. After the initial cracking of the concrete the shear stresses are properly transferred to the shear reinforcement using the Mörsch truss concept. The accuracy of the proposed formulation is illustrated by the analysing some practical examples. The results obtained are compared with experimental results and other numerical technique solutions

The present paper is intended to give a survey of the developments of the wavelet Galerkin boundary element method. Using appropriate wavelet bases for the discretization of boundary integral operators yields numerically sparse system matrices. These system matrices can be compressed to O(N_j) nonzero matrix entries without loss of accuracy of the underlying Galerkin scheme. Herein, O(N_j) denotes the number of unknowns. As we show in the present paper, the assembly of the compressed system matrix can be performed within optimal complexity. By numerical experiments we provide examples which corroborate the theory.

[pt] O presente trabalho tem como principais objetivos estudar a formulação do método dos elementos de contorno e implementar um programa computacional para análise de tensões de problemas bi-dimensionais (estado plano de deformação e axissimetria) considerando também a possibilidade de acoplamento dos métodos dos elementos de contorno (MEC) e dos elementos finitos (MEF). Dentro deste estudo são abordados as soluções fundamentais para materiais linearmente elásticos, a formulação das integrais no contorno, as técnicas para tratamento de singularidade, a utilização de nós duplos para estudos de canto, etc. Os resultados numéricos obtidos em alguns problemas bi-dimensionais pelos métodos dos elementos de contorno e dos elementos finitos, considerando isoladamente ou acoplados, são comparados mutuamente e com soluções analíticas da teoria da elasticidade linear. Vantagens e desvantagens destes métodos, bem como dificuldades de implementação numérica, são discutidas ao longo deste trabalho. / [en] The main objectives of this work are the study of the boundary element formulation as well as the implementation of computer program for stress analyses of bidimensional problems under axisymmetric or plane strain conditions. The computer program also combines the boundary element method (BEM) with the finite element method (FEM) thus permitting its application to wide range of geotechnical problems. In this study research several mathematical aspects of the boundary element method are reviewed, such as the fundamental solutions for elastic materials, contour integration, singularities, corner problems, etc. The numeric results obtained in some 2D problems the BEM and FEM, in a coupled or isolated form, are compared with analytical solutions provided by classical theory of elasticity. Advantages and shortcomings of both methods, as well as the difficulties in the computer implementation, are also discussed in this work.

[pt] Mais de três décadas atrás, Przemieniecki introduziu uma formulação para análise de elementos de barra e treliça baseada em uma expansão em série de freqüências. Recentemente esta formulação foi generalizada para análise de sistemas elásticos submetidos a carregamento qualquer e deslocamentos iniciais. Baseado no método da superposição modal, um sistema acoplado, com equações diferenciais de movimento de alta ordem, é transformado em um sistema desacoplado com equações diferenciais de segunda ordem, que pode ser resolvido por qualquer método conhecido na literatura. A motivação para este desenvolvimento é o Método Híbrido dos Elementos de Contorno, que tem sido desenvolvido para problemas dependentes do tempo e problemas dependentes da freqüência. Esta formulação, assim como a introduzida por Pian para o Método dos Elementos Finitos, obtém uma matriz de rigidez utilizando apenas integrais de contorno, para um domínio de forma qualquer contendo vários graus de liberdade. O uso de termos com freqüências de alta ordem melhora muito a precisão numérica. A análise modal de um problema dinâmico, conforme se apresenta, é aplicável a qualquer formulação de elementos finitos, em geral, desde que a matriz de rigidez generalizada possa ser obtida. Este trabalho é uma tentativa de consolidação da formulação teórica proposta, em que se faz uso de integrais exclusivamente no contorno, com a discussão de diversos casos particulares e a conseqüente avaliação numérica: estruturas restringidas ou não; consideração de deslocamentos e velocidades iniciais, tanto em termos de valores nodais quanto de campos prescritos no domínio (incluindo deslocamentos de corpo rígido); deslocamentos forçados dependentes do tempo; forças de massa dependentes do tempo; cálculo de resultados em pontos internos. Vários exemplos acadêmicos para problemas de potencial bidimensionais ilustram este trabalho. / [en] More than three decades ago, Przemieniecki introduced a formulation for the free vibration analysis of bar and beam elements based on a power series of frequencies. Recently, this formulation was generalized for the analysis of the dynamic response of elastic systems submitted to arbitrary nodal loads as well as initial displacements. Based on the mode-superposition method, a set of coupled, higher-order differential equations of motion is transformed into a set of uncoupled second order differential equations, which may be integrated by means of standard procedures. Motivation for this theoretical achievement is the hybrid boundary element method, which has been developed for time-dependent as well as frequency-dependent problems. This formulation, as a generalization of Pian`s previous achievements for finite elements, yields a stiffness matrix for which only boundary integrals are required, for arbitrary domain shapes and any number of degrees of freedom. The use of higher-order frequency terms drastically improves numerical accuracy. The introduced modal assessment of the dynamic problem is applicable to any kind of finite element for which a generalized stiffness matrix is available. The present work is an attempt of consolidating this boundary- only theoretical formulation, in which a series of particular cases are conceptually outlined and numerically assessed: Constrained and unconstrained structures; initial displacements and velocities as nodal values as well as prescribed domain fields (including rigid body movement); forced time-dependent displacements; time-dependent body forces; evaluation of results at internal points. Several academic examples for 2D problems of potential illustrate the formulation.

[pt] Este trabalho trata o Método Híbrido dos Elementos de Contorno com vista à análise de problemas que envolvam simetria ou antissimetria. Nestes casos, apenas uma parte da estrutura, que pode ser a metade, um quarto ou um oitavo, deve ser discretizada e capaz de representar o todo. Os métodos de contorno apresentam a vantagem, quando comparados com os de domínio, de não ser necessário nenhum tipo de discretização ao longo dos eixos ou planos de simetria, sem a introdução de mais aproximações, visto que apenas o contorno é discretizado. Embora estas simplificações venham a restringir alguns deslocamentos de corpo rígido (para problemas de elasticidade), no Método dos Elementos de Contorno convencional (colocação ou Galerkin) a ausência de tais deslocamentos não acarreta alterações na sistemática do método. Nos Métodos Híbridos de Elementos de Contorno, por outro lado, os deslocamentos de corpo rígido são necessários direta ou indiretamente para a aplicação de condições de ortogonalidade e avaliação das propriedades espectrais que são essenciais na obtenção da diagonal principal de certas matrizes inerentes ao método, tais como de flexibilidade, de deslocamentos e de tensões. Esta necessidade de avaliação é uma característica de suma importância do método e, quando não houver possibilidade de fazê-la, deve-se procurar uma forma substituta conceitualmente equivalente. Verifica-se que, apesar de este método ser baseado em funções singulares de Green, é capaz de representar estados simples de tensões, tanto por trabalhos virtuais quanto por interpolações no domínio. Como objetivo principal deste trabalho, será demonstrado que para cada deslocamento de corpo rígido perdido, devido às restrições impostas pela simetria ou antissimetria, poderá ser utilizado um estado simples de tensão (constantes na maioria dos casos), que permitirá o estabelecimento de propriedades espectrais apropriadas. De forma a se garantir uma sistemática estruturada para o trabalho, faz-se uma abordagem de conceitos fundamentais aplicados a problemas da elastostática e potencial estacionário, na formulação variacional do Método Híbrido dos Elementos de Contorno com posteriores considerações especiais de estados simples de tensão (representados polinomialmente), para elasticidade tridimensional em geral, visto que para problemas bidimensionais o caso se torna uma particularização. Todas as combinações de simetria e antissimetria são avaliadas com a implementação numérica. Diversos exemplos de problemas bidimensionais ilustram a formulação teórica. / [en] The boundary element methods are suited for the analysis of symmetric and antisymmetric problems - in which only a part (half, quadrant or octant) of the structure needs to be explicitly considered - since, as an additional advantage when compared with a domain discretization method, no interpolation is required along the symmetry axes (for 2D problems) or planes (for 3D problems) and, consequently, no approximations are introduced thereon. Although such computational simplification may prevent some of the structures allowable rigid body movements (elasticity problems considered), this fact may be completely ignored as concerning the implementation of the traditional (collocation or Galerkin) boundary element methods. In the hybrid boundary element methods, on the other hand, special orthogonality conditions, directly or indirectly related to rigid body displacements, are required for the evaluation of elements about the main diagonal of some matrices (flexibility, displacement and stress matrices). Then, a central issue in such methods is the assessment of these matrices spectral properties for any combination of symmetry and antisymmetry and, most important, the investigation of conceptually equivalent, substitutive properties. As presented in this work, the hybrid boundary element methods, although based on singular Green s functions, are able to simulate, in terms of both virtual work and field interpolation, the simplest stress states. Then, one demonstrates that for every missing rigid body displacement - brought about by some symmetry or antisymmetry consideration - one may lay hold of a simple (in most cases constant) stress state, which enables establishing appropriate spectral properties. This work introduces the underlying variational concepts of the hybrid boundary element method and outlines the special consideration of simple (polynomial) stress states, as generally formulated for 3D elasticity, since 2D elasticity and problems of potential may be dealt with as particular cases. All combinations of symmetry and antisymmetry are outlined with the aim of numerical implementation. A series of 2D examples for problems of potential illustrate the theoretical

[pt] Este trabalho faz parte de um projeto para a implementação de um programa que possa simular problemas com milhões de graus de liberdade em um computador pessoal. Para isto, combina-se o Método Fast Multipole (FMM) com o Método Expedito dos Elementos de Contorno (EBEM), além de serem utilizados resolvedores iterativos de sistemas de equações. O EBEM é especialmente vantajoso em problemas de complicada topologia, ou que usem funções fundamentais muito complexas. Neste trabalho apresenta-se uma formulação para o Método Fast Multipole (FMM) que pode ser usada para, virtualmente, qualquer função e também para contornos curvos, o que parece ser uma contribuição original. Esta formulação apresenta um formato mais compacto do que as já existentes na literatura, e também pode ser diretamente aplicada a diversos tipos de problemas praticamente sem modificação de sua estrutura básica. É apresentada a validação numérica da formulação proposta. Sua utilização em um contexto do EBEM permite que um programa prescinda de integrações sobre segmentos – mesmo curvos – do contorno quando estes estão distantes do ponto fonte. / [en] This is part of a larger project that aims to develop a program able to simulate problems with millions of degrees of freedom on a personal computer. The Fast Multipole Method (FMM) is combined with the Expedite Boundary Element Method (EBEM) for integration, in the project s final version, with iterative equations solvers. The EBEM is especially advantageous when applied to problems with complicated topology as well as in the case of highly complex fundamental solutions. In this work, a FMM formulation is proposed for the use with virtually any type of fundamental solution and considering curved boundaries, which seems to be an original contribution. This formulation presents a more compact format than the ones shown in the technical literature, and can be directly applied to different kinds of problems without the need of manipulation of its basic structure, being numerically validated for a few applications. Its application in the context of the EBEM leads to the straightforward implementation of higher-order elements for generally curved boundaries that dispenses integration when the boundary segment is relatively far from the source point.