Estruturas como torres e chaminés industriais são bastante vulneráveis ao fenômeno de desprendimento de vórtices, devido à sua esbeltez e forma rombuda. Além disso, devido ao baixo amortecimento estrutural que possuem, essas estruturas também têm maiores chances de atingir grandes amplitudes de deslocamento, o que é causado pelo efeito de captura. Apesar de esse tipo de estrutura ser considerado simples dos pontos de vista estrutural e aerodinâmico, o estudo das vibrações transversais nessas estruturas é bastante complicado, pois envolve a interação entre tópicos complexos da mecânica dos fluidos e estrutural, tornando a determinação confiável da resposta estrutural um dos problemas mais difíceis da Engenharia do Vento. Ao longo das últimas cinco décadas, diversos pesquisadores vêm estudando esse fenômeno, buscando uma abordagem que consiga considerar todos os tópicos que envolvem o mecanismo de vibração por desprendimento de vórtices. Entretanto, apesar dos esforços, os modelos existentes para a verificação da resposta da estrutura são de caráter empírico, sendo os dois mais aceitos pela comunidade científica o modelo de comprimento de correlação de Ruscheweyh e o modelo matemático espectral de Vickery e Clark, o qual foi posteriormente aprimorado por Vickery e Basu. Primeiramente, são estudados em detalhe esses dois modelos e seus métodos derivados, os quais são apresentados em normas e códigos. Após isso, é feita uma proposta de cálculo de dimensionamento do deslocamento do topo de tais estruturas baseada no modelo de Vickery e Basu e adaptada às necessidades da NBR- 6123. E finalmente, são apresentados dados de 42 estruturas, as quais atingiram grandes amplitudes de vibração em seu topo. Essas estruturas foram dimensionadas segundo as diretrizes de cada um dos métodos estudados neste trabalho, o que demonstrou o bom desempenho do Método II do Eurocódigo, do Método do CICIND e da Proposta III-B para a NBR-6123. / Structures like towers and industrial chimneys are quite vulnerable to the vortex shedding phenomenon, due to their slenderness and non-aerodynamic form. Furthermore, due to their low structural damping, these structures are also more likely to reach large displacement amplitudes, which is caused by the lock-in effect. Although these structures are considered as simple from structural and aerodynamic points of view, the study of cross-wind vibrations in these structures is quite complicated, as it involves the interaction of complex topics of fluid and structural mechanics, turning a reliable determination of the structural response into one of the most complicated problems in Wind Engineering. Over the past five decades, several researchers have been studying this phenomenon, seeking an approach that could consider all topics involving the vibrating mechanism by vortex shedding. However, despite the efforts, the existing models for predicting the response of the structure are empirical, with the two most accepted by the scientific community being the Ruscheweyh’s correlation length model and the Vickery & Clark’s spectral mathematical model, which was further enhanced by Vickery & Basu. Firstly, these two models and their derivative methods, which are reported in standards and codes, are studied in detail. After, a calculation proposal for predicting the top displacement of such structures is presented, which is based on the Vickery & Basu model and adapted to the needs of NBR-6123. Finally, data for 42 real structures which have reached large vibration amplitudes at their tops is presented. These structures were designed according to the guidelines for each of the methods studied in this work, which demonstrated the good performance of the Eurocode II Method, of the CICIND Method and of the NBR-6123 III-B Proposal.

No trabalho estuda-se o crescimento de trincas em carga monotônica e cíclica nos casos de materiais quase-frágeis, introduzindo uma lei de dano cíclico. Revisam-se conceitos sobre modelos coesivos, leis de carga-descarga, leis de evolução de dano e efeito de escala. É seguido o modelo coesivo irreversível proposto por Wang e Siegmund (2006). Em particular se dá ênfase aos efeitos de escala não estatísticos. O modelo de zona coesiva irreversível apresenta uma formulação de dano e considera carregamento em fadiga. Quando o tamanho estrutural é reduzido (ou as trinca se extendem), a fratura por fadiga não mais ocorre por propagação de trinca, mas sim por uma decoesão uniforme. O objetivo desde trabalho é implementar este modelo e verificar sua potencialidade na captura de efeitos de escala, comparando com experimentos e dados disponíveis na literatura. / At present work is intended to study crack growth in cyclic and monotonic loading in the case of quasi-brittle materials, introducing a damage mechanism, is reviewed concepts of cohesive models, loading-unloading laws, damage evolution laws and effect of scale. The irreversible cohesive zone model proposed by Wang e Siegmund (2006) is followed. In particular emphasizes in the not statistical size effects. The irreversible cohesive zone model, presents a damage formulation and considers fatigue loading. It is demonstrated in this study that, when the structure size is reduced (or extend cracks), the fatigue fracture no longer occurs by crack propagation, then occurs by uniform decohesion . The objetive of this work is implementing this model and verify its capability to capture the scale effect compared with experiments and data available in literature.

Neste trabalho foi feita a análise das leituras da instrumentação da barragem de terra e enrocamento de Itaúba, localizada no centro do estado do Rio Grande do Sul, coletada ao longo de 35 anos. A auscultação por instrumentação atual inclui medidores de vazão, piezômetros, marcos de deslocamento superficial e medidor de recalque tipo KM, compondo um banco de dados de 10.000 dados de leitura. Foi observado que as vazões medidas através dos drenos de fundação da barragem reduziram pela metade desde o primeiro ano de operação da barragem até o final de 2013, embora os níveis piezométricos do sistema de drenagem à jusante não tenham sofrido alteração. As vazões dos filtros inclinado e vertical são afetadas pelas chuvas, mesmo assim foi possível concluir que as vazões reduziram 1/3 em comparação com a vazão logo após o segundo enchimento do reservatório. A vazão pela barragem e fundação era de 1.800 l/min no primeiro ano de operação decrescendo para 930 l/min (dez / 2013). Observou-se que até o fim do período construtivo já haviam ocorrido 101,75cm de recalque (92% de todo o recalque medido). Os recalques do núcleo estabilizaram entre o 5° e 10° ano de operação da barragem, isto é, desde 1988 a barragem não apresenta recalques significativos. O recalque total de Itaúba foi de 109,6cm que representa 1,2% da altura da seção onde o medidor de recalque está instalado. A análise permite concluir que a Barragem de Itaúba esta estabilizada quanto aos deslocamentos verticais e horizontais. Apesar de tratarse de dados de leituras coletados desde 1976, as informações apresentadas aqui são de relevante interesse e ainda não haviam sido publicadas. / In this work, the analysis of Itauba dam instrumentation is carried out. This earth and rock fill dam is located in the center of Rio Grande do Sul state and the readings cover its 35 years of operation. The currentinstrumentation includes flow meters, piezometers, surface displacement and settlements gauge type KM, composing a 10,000 reading database. It was observed that the flow rates measured through the dam foundation drains reduced to half since the first year of dam operation, although the piezometric levels of the downstream drainage system showed no significant change. Flow rates of inclined and vertical filters are affected by the rains, even so it was still possible to conclude that the flows reduced circa of 1/3 compared to the flow after the second filling of the reservoir. The flow through the dam and foundation which was 1,800 l / min in the first year of operation decreased to 930 l / min (Dec / 2013). It was observed that by the end of the construction period had occurred 101,75cm of settlement (92% of all the measured settlement). The settlement core stabilized between the 5 th and 10th year of dam operation, that is, since 1988 the dam does not present significant settlements. The total discharge of Itaúba was 109,6cm representing 1.2% of the section height where repression meter is installed. The analysis shows that the Itaúba dam has stabilized its vertical and horizontal displacements.

O uso de aduelas pré-moldadas de concreto se transformou na técnica preponderante na construção de pontes com vãos médios a longos. No entanto, fatores econômicos têm continuamente exigido refinamentos nessas práticas de construção para o aumento da produtividade e redução do tempo de construção. As principais inovações desenvolvidas são: o uso de múltiplas chaves ou dentes de cisalhamento, que são saliências característica nas juntas entre os segmentos; uso de protensão externa e uso de juntas secas, sem epóxi. Por outro lado, um número insuficiente de investigações e análises sobre o comportamento desse tipo de estrutura tem sido realizado. Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo sobre o comportamento de estruturas segmentadas de concreto com protensão externa. O modelo computacional desenvolvido para a análise tridimensional do comportamento não-linear físico e geométrico dessas estruturas é baseado em uma formulação em elementos finitos. O concreto é representado no modelo através de elementos finitos hexaédricos e os cabos de protensão através de elementos lineares. As juntas, entre os segmentos justapostos, são modeladas através de elementos planos quadrangulares. O modelo de elementos finitos é capaz de representar o comportamento estrutural ao longo do processo de carregamento e consequentemente, obter as respostas da estrutura em termos de esforços, tensões e deslocamentos, por meio de uma análise incremental não linear. Foram testadas vigas monolíticas e segmentadas, em concreto armado e protendido, analisando o comportamento desse tipo de estrutura e comparando com valores experimentais encontrados na bibliografia. As vigas protendidas externamente, tanto monolíticas quanto segmentadas, apresentaram uma rigidez maior após o limite de proporcionalidade de tensões. Portanto, pode-se afirmar que o programa computacional desenvolvido é capaz de analisar peças com protensão externa, segmentadas ou monolíticas. / The use of precast concrete segments has become the predominant technique in bridge construction for medium to long span bridges. However, economic factors have continually claimed refinements in these construction practices to increase of productivity and reduction of construction time. The main innovations that have been developed are: the use of multiple shear keys, which are characteristic ledges in the joints between segments; the use of external prestressing and the use of dry joints, without epoxy glue. Otherwise, few studies exist about the behavior of this type of structure. This paper aims to present a study about the behavior of segmental concrete structures with external prestressing. The computational model developed for three-dimensional non-linear physical and geometric analysis of these structures is based on a finite element formulation. In this model concrete is represented by hexahedral finite elements and prestressing cables through linear elements. The joints, between the juxtaposed segments, are modeled through quadrangular plan elements . The finite element model is capable to represent the structural behavior during loading process and provides structure responses in terms of force, stress and displacement, using non-linear incremental analysis. The beams prestressed externally, both monolithic and segmented, have shown higher stiffness after reaching the proportional limit. This is due to the proposed model which does not consider the slip free of prestressing cables in the deviators. Comparisons with experimental data from the literature have shown good results for displacement values and stresses. Therefore, the computational program developed is able to analyze sections with external prestressing, segmental or monolithic, enabling further study of this type of structure.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica visando reduzir o volume de uma estrutura tridimensional sujeita a restrição de tensão. A análise estrutural é feita através do método dos elementos finitos, as tensões são calculadas nos pontos de integração Gaussiana e suavizadas. Para evitar problemas associados a singularidades na tensão é aplicado o método de relaxação de tensão, que penaliza o tensor constitutivo. A norma-p é utilizada para simular a função máximo, que é utilizada como restrição global de tensão. O estimador de erro de Zienkiewicz e Zhu é usado para calcular o erro da tensão, que é considerado durante o cálculo da norma-p, tornando o processo de otimização mais robusto. Para o processo de otimização é utilizada o método de programação linear sequencial, sendo todas as derivadas calculadas analiticamente. É proposto um critério para remoção de elementos de baixa densidade, que se mostrou eficiente contribuindo para gerar estruturas bem definidas e reduzindo significativamente o tempo computacional. O fenômeno de instabilidade de tabuleiro é contornado com o uso de um filtro linear de densidade. Para reduzir o tempo dispendido no cálculo das derivadas e aumentar o desempenho do processo de otimização é proposto um modelo substituto (surrogate model) que é utilizado em iterações internas na programação linear sequencial. O modelo substituto não reduz o tempo de cálculo de cada iteração, entretanto reduziu consideravelmente o número de avaliações da derivada. O algoritmo proposto foi testado otimizando quatro estruturas, e comparado com variações do método e com outros autores quando possível, comprovando a validade da metodologia empregada. / This work presents a methodology for stress-constrained topology optimization, aiming to minimize material volume. Structural analysis is performed by the finite element method, and stress is computed at the elemental Gaussian integration points, and then smoothed over the mesh. In order to avoid the stress singularity phenomenon a constitutive tensor penalization is employed. A normalized version of the p-norm is used as a global stress measure instead of local stress constraint. A finite element error estimator is considered in the stress constraint calculation. In order to solve the optimization process, Sequential Linear Programming is employed, with all derivatives being calculated analiticaly. A criterion is proposed to remove low density elements, contributing for well-defined structures and reducing significantly the computational time. Checkerboard instability is circumvented with a linear density filter. To reduce the computational time and enhance the performance of the code, a surrogate model is used in inner iterations of the Sequential Linear Programming. The present algorithm was evaluated optimizing four structures, and comparing with variations of the methodolgy and results from other authors, when possible, presenting good results and thus verifying the validity of the procedure.

A simulação numérica através do Método dos Elementos Finitos vem sendo utilizada em grande escala nos dias de hoje. Sendo que os trabalhos experimentais não conseguem cobrir toda a gama de situações que podem ocorrer em estruturas de concreto armado, o Método dos Elementos Finitos se apresenta como uma ferramenta para ampliar e generalizar os resultados obtidos através de modelos experimentais testados em laboratório. Estruturas de nós de pórti-co em concreto armado são largamente utilizadas em construções civis e possuem um com-portamento muito particular. Este trabalho tem por objetivo desenvolver um modelo numérico que simule as ligações viga-pilar nos nós de pórtico em concreto armado, examinando o com-portamento destes nós com diferentes configurações geométricas. O modelo computacional desenvolvido é avaliado, primeiramente, através de resultados experimentais bem conhecidos para vigas biapoiadas, para, em seguida, apresentarem-se as análises de nós de pórtico. Os resultados numéricos, utilizando-se dois modelos de malha: uma com elementos quadrangula-res quadráticos de oito nós e outra com elementos triangulares lineares de três nós, são com-parados com resultados experimentais disponíveis na literatura. Nesta comparação, pode-se verificar que a modelagem com malha de elementos triangulares lineares pode ser utilizada para análise de estruturas diversas. Podendo-se, também, utilizar esta malha como uma ferra-menta para elaboração de códigos computacionais restritos a elementos finitos com funções de interpolação lineares. Os resultados numéricos avaliam, também, a rotação relativa na liga-ção entre a viga e o pilar. / Numerical simulations by the Finite Element Method are being extensively used nowadays. Since experimental tests cannot cover the innumerous situations that can occur in reinforced concrete structures, the Finite Element Method presents itself as a tool to amplify and general-ize the results obtained throughout experimental models tested in the lab. Structures of rein-forced concrete frame joints are largely used in civil construction and have a very particular behavior. This work has the objective of developing a numerical model that simulates beam-column joints in reinforced concrete frames, examining their behavior with different geome-trical configurations. The developed computational model is firstly evaluated through well-known experimental results for simply supported beams to, in a second occasion, present the analyses of frame joints. The numerical results, with the consideration of two mesh models: one with quadratic quadrilateral elements of eight nodes and another with linear triangular elements of three nodes, are compared with experimental results from the literature. In this comparison, it is possible to verify that the modeling with linear triangular element meshes can be used for a diversity of structures. One can also use this mesh as a tool in the develop-ment of computational codes restricted to linear finite elements. The numerical results also evaluate the relative rotation at the joints between beams and columns.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.

Neste trabalho, é estudada a fratura na interface de materiais dissimilares empregando duas metodologias distintas: a Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE) e os métodos coesivos. O uso da MFLE aplicada a trincas situadas na interface de materiais dissimilares apresenta algumas dificuldades bem conhecidas que podem inviabilizar seu uso, como a presença de zonas de contato na frente da trinca que ocorrem em certas combinações de carregamento misto. Outra dificuldade é a inexistência de um modo I puro na ponta da trinca, o que dificulta estabelecer uma propriedade de fratura única para a interface que não dependa do carregamento. (Continuação ) As metodologias coesivas não apresentam tais limitações, em princípio. Neste trabalho é feito uma comparação das previsões fornecidas pelas duas metodologias para o caso de uma trinca restrita à interface de 2 materiais distintos, considerados elástico lineares. Observa-se uma boa correspondência na previsão obtida pelas metodologias em um caso simples de carregamento em modo I. Efeitos dinâmicos também são considerados e observa-se um aumento no grau de mistura (modos I / II) com o aumento da velocidade de propagação. Finalmente, aplica-se o método coesivo ao caso de um material composto por cilindros de alumínio em uma matriz de polimetacrilato de metila. Além de ser verificada a importância da energia de fratura de interface no comportamento global da estrutura, é mostrado que os modelos coesivos capturam o efeito de escala, contrariamente à MFLE. / In this work, bi-material interface fracture is studied by two different methodologies: Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) and the cohesive methods. The application of LEFM to cracks laying at the interface of two different materials presents some well-known difficulties that can limit its use. The development of a contact zone at the crack tip, for certain combinations of loading, is one of them. Another is the fact that pure Mode I at the crack tip does not exist, which creates difficulties to define a unique interface fracture energy, independent of the loading. Cohesive methodologies do not present such limitations, in principle. In this work a comparison of the forecast obtained by the two methodologies, for a crack constrained to a bi-material interface, is considered. It can be observed a good agreement for the two methodologies, for a simple case in mode I loading. Dynamic effects are also considered and it was observed that the greater the crack propagation velocity, the greater the degree of mixture between modes I/II. Finally, the cohesive methodology is applied to a composite case, where a matrix is reinforced by a second material in the shape of cylindrical bars. Fracture energy of the interface plays a key role on the structural global behavior. Also, it is shown that cohesive models are able to capture scale effects, contrarily to LEFM.

Este trabalho trata do emprego do modelo de dano dúctil de Gurson e de alguns aspectos relativos a sua implementação computacional. Emprega-se como ponto de partida o programa Metafor, código de elementos finitos voltado para a simulação de problemas de conformação mecânica, contemplando portanto grandes deformações plásticas. Estudam-se alguns casos simples procurando identificar a influência de cada parâmetro do modelo de Gurson na resposta. É discutida a aplicação dos modelos de nucleação de vazios usualmente empregados em conjunto com a superfície de escoamento de Gurson em situações onde há reversão de solicitação. São propostas alterações nos modelos usuais de nucleação de forma a minorar resultados incoerentes verificados. Apresenta-se um algoritmo alternativo ao método de Newton-Raphson para a solução do sistema de equações associado à forma fraca das equações de equilíbrio, em situações onde a rigidez fica muito pequena. Tal algoritmo é implementado e testado. Um algoritmo de integração de tensões é apresentado e implementado, mostrando-se sua vantagem do ponto de vista de robustez, ou seja, obtenção da resposta correta a despeito do tamanho de incremento empregado. Também é discutido um procedimento para desconsiderar elementos que apresentem ruptura local Estudam-se problemas envolvendo geração de calor por deformação plástica em conjunto com a formulação do modelo de Gurson, mostrando que a consideração de acoplamento termo-mecânico com dano traz vantagens em algumas simulações. É discutida a implementação do modelo de Gurson sobre a versão tridimensional do Metafor, que contempla a formulação lagrangiana-euleriana arbitrária (LEA). Ao final, é feita uma simulação inicial do comportamento de espumas metálicas.

O uso de aduelas pré-moldadas de concreto se transformou na técnica preponderante na construção de pontes com vãos médios a longos. No entanto, fatores econômicos têm continuamente exigido refinamentos nessas práticas de construção para o aumento da produtividade e redução do tempo de construção. As principais inovações desenvolvidas são: o uso de múltiplas chaves ou dentes de cisalhamento, que são saliências característica nas juntas entre os segmentos; uso de protensão externa e uso de juntas secas, sem epóxi. Por outro lado, um número insuficiente de investigações e análises sobre o comportamento desse tipo de estrutura tem sido realizado. Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo sobre o comportamento de estruturas segmentadas de concreto com protensão externa. O modelo computacional desenvolvido para a análise tridimensional do comportamento não-linear físico e geométrico dessas estruturas é baseado em uma formulação em elementos finitos. O concreto é representado no modelo através de elementos finitos hexaédricos e os cabos de protensão através de elementos lineares. As juntas, entre os segmentos justapostos, são modeladas através de elementos planos quadrangulares. O modelo de elementos finitos é capaz de representar o comportamento estrutural ao longo do processo de carregamento e consequentemente, obter as respostas da estrutura em termos de esforços, tensões e deslocamentos, por meio de uma análise incremental não linear. Foram testadas vigas monolíticas e segmentadas, em concreto armado e protendido, analisando o comportamento desse tipo de estrutura e comparando com valores experimentais encontrados na bibliografia. As vigas protendidas externamente, tanto monolíticas quanto segmentadas, apresentaram uma rigidez maior após o limite de proporcionalidade de tensões. Portanto, pode-se afirmar que o programa computacional desenvolvido é capaz de analisar peças com protensão externa, segmentadas ou monolíticas. / The use of precast concrete segments has become the predominant technique in bridge construction for medium to long span bridges. However, economic factors have continually claimed refinements in these construction practices to increase of productivity and reduction of construction time. The main innovations that have been developed are: the use of multiple shear keys, which are characteristic ledges in the joints between segments; the use of external prestressing and the use of dry joints, without epoxy glue. Otherwise, few studies exist about the behavior of this type of structure. This paper aims to present a study about the behavior of segmental concrete structures with external prestressing. The computational model developed for three-dimensional non-linear physical and geometric analysis of these structures is based on a finite element formulation. In this model concrete is represented by hexahedral finite elements and prestressing cables through linear elements. The joints, between the juxtaposed segments, are modeled through quadrangular plan elements . The finite element model is capable to represent the structural behavior during loading process and provides structure responses in terms of force, stress and displacement, using non-linear incremental analysis. The beams prestressed externally, both monolithic and segmented, have shown higher stiffness after reaching the proportional limit. This is due to the proposed model which does not consider the slip free of prestressing cables in the deviators. Comparisons with experimental data from the literature have shown good results for displacement values and stresses. Therefore, the computational program developed is able to analyze sections with external prestressing, segmental or monolithic, enabling further study of this type of structure.