Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um programa computacional aplicado à otimização da geometria de treliças espaciais submetidas a várias condições independentes de carregamento estático. A análise estática da estrutura é procedida pelo método da rigidez direta. / This work presents developement of a computational program aplicable to the opti ization of the geometry of space tresses subject to many independent conditions of static loading. The elastic analysis done by the direct stiffness method.

Vigas de paredes finas submetidas à torção experimentam uma deformação fora do plano da seção transversal chamada de empenamento. Se alguma restrição do empenamento ocorre, desenvolve-se na barra um esforço denominado de bimomento. A presença do bimomento causa tensões longitudinais e de cisalhamento. As tensões longitudinais atuam no mesmo eixo das tensões de flexão e podem ter a mesma ordem de magnitude. Os problemas da incorporação dos efeitos do empenamento da seção transversal, "off-set" do centro de corte, transmissão e restrição parcial do empanamento em elementos de barra de paredes finas com parâmetro nodal extra associado ao empenamento são examinados nesta dissertação. Uma investigação da influência do nó no comportamento torsional de estruturas de barras de paredes finas é descrita.Resultados obtidos através da moldagem de interseções em elementos de casca poliédrica são apresentados e comparados com resultados teóricos utilizando diferentes métodos de incorporação dos efeitos do nó. / Thin-walled beams submitted to torsional loads experiment a deformation called warping. If any restraint to warping occurs, an effort called bi-moment develops in the bar. The presence of bi-moment causes longitudinal and shear stresses. The longitudinal stresses act at the same axis of flexural stresses and can have the same magnitude. The problems of incorporating the effects of cross-sectional warping, offset shear center, transmission and partiaw!arping restraint in thin-walled elements with extra nodal parameter associated to warping are examinated in this dissertation. An investigation into the influence of the joint on the torsional behavior of thin-walled structures is described. Results of intersection modelling with polihedric shell elements are presented and compared to theoretical results using different methods of incorporating the joint effects.

Neste trabalho é apresentado um método para avaliar o máximo efeito produzido por ações combinadas atuando sobre sistemas estruturais. Embora se faça uso da teoria de processos aleatórios, as expressões desenvolvidas são de uso direto e simples, representando uma forma atraente para aplicação prática em projetos estruturais. Considerando que os dados disponíveis para muitas ações sobre estruturas são os dois primeiros momentos estatísticos (valor médio e desvio padrão) e a taxa de mudança das intensidades das ações individuais, o método proposto faz uso destes valores para obter o valor médio e o desvio padrão do valor máximo do efeito combinado. Usando os dois primeiros momentos obtidos para o valor máximo do efeito combinado, pode-se determinar o valor a ser usado no projeto estrutural como a média acrescida de um múltiplo do desvio padrão conforme a confiabilidade almejada. As principais vantagens apresentadas pelo método proposto são: I) a abordagem .trata com as estatísticas das ações individuais, que são mais facilmente encontradas e menos afetadas por incertezas do que os valores característicos utilizados nas atuais normas estruturais, 2) os resultados obtidos possibilitam o uso da teoria da confiabilidade estrutural para calcular a propensão à falha associada a um estado limite e, 3) o procedimento proposto para combinar ações mantém a simplicidade necessária para ser usado em normas estruturais, não exigindo do projetista conhecimento da teoria de processos aleatórios. / A method for assessing the maximum effect of cembined actions on structural systems is developed. Although the Theory of Stochastic Processes is applied, the derived expressions are suitable for straightforward calculations and hence suitable for practical applications in structural design. Considering that information on actions upon structures is often available as the two first statistical moments (mean and standard deviation) and the mean ocurrence rate of changes in the intensity of individual actions, the proposed approach makes use of these parameters to arrive at the mean value and standard deviation of the maximum combined effect. By using these two first moments o f the max:imum cembined effect, it is possible to determine the value to be used in the structural design as the mean increased by a multiple ofthe standard deviation, according to the aimed reliability. The main advantages presented by the proposed method are: 1) the approach deals with statistics of individual actions, which can be more easily found and bear less uncertainty that the characteristics values commonly used in cenventional design cedes, 2) the obtained results rnake possible the use of the Theory of Reliability, which yields the proness to failure associated with a given limit state and, 3) the approach keeps the simplicity necessary to be used within some codified procedure, as required in structural design cedes, without the need o f knowledge o f the Theory o f Stochastic Processes.

O Sistema METAFOR /Pl/ é um sistema computacional dirigido para a solução de problemas elastoplásticos com deformações finitas em condições dinâmicas e estáticas. Assim o programa permite o tratamento de problemas de impacto e de conformação mecânica. Este trabalho implementou os seguintes desenvolvimentos ao METAFOR: a) Procedimento de integração espacial simplificado das pressões de contato, que torna o método da penalidade independente da malha. b) Tratamento do problema de contato/atrito em casos tri-dimensionais. Quando um dos corpos é rígido, o programa pode usar solução implícita ou explícita. Se o corpo rígido é um plano, uma matriz tangente explícita consistente com o processo de integração temporal de pressões de contato é usada. Se o corpo rígido tem uma geometria arbitrária, uma matriz tangente numérica é empregada. Neste caso o corpo rígido é modelado com superfícies 'Coons'. c) Tratamento do problema de contato entre corpos flexíveis. Neste caso a solução é limitada à casos explícitos. Um método simples e eficiente é aqui empregado. Alguns exemplos foram comparados com dados da literatura e um bom acordo foi obtido. / METAFOR is a large computational system addressed to the solution of elastoplasticity problems with finite deformations under static and dynamic conditions. As a practical applications, it can be used to model metal forming and impact problems. In this work the METAFOR system is extended and improved in several ways : a) A simplified spatial integration procedure for contact pressure that allows for a mesh independent penalty method in two dimensional cases is implemented. b) The contact/friction capability is extended to three dimensional situations. When one of the bodies is rigid, the program can use implicit or explicit solutions. If the rigid body is a plane, an explicit tangent matrix consistent with the contact pressure integration scheme is used. If the rigid body has an arbitrary geometry, a numerical tangent matrix is used. In this case the rigid body is modeled with 'Coons' surfaces. c) A capability for impact problems between flexible bodies is introduced. In this case an explicit solution must be used. A simple and precise algorithm for nodal projection is used. Numerical examples for different problems show good agreement with results in the literature.

Fadiga, diminuição gradual da resistência de um material sob carregamentos repetitivos, conduz a um modo de ruptura importante em estruturas sujeitas a carregamentos dinâmicos, e em particular, estruturas sujeitas à ação do vento. Neste trabalho apresenta-se elaborar uma ferramenta para a estimativa do tempo de vida útil à fadiga de uma estrutura com linearidade física e geométrica, sujeita à ação do vento. Para isto, o vento será considerado urna excitação aleatória estacionária e ergódica, atuando na estrutura, que será modelada com elementos finitos tridimensionais. As tensões que ocasionam fadiga são determinadas através de uma análise modal no domínio da freqüência. Também pretende-se, com esta ferramenta, estimar os índices de confiabilidade de projeto com relação à variabilidade das curvas de fadiga. / Fatigue, a gradual decrease in material strength under repetitive loading, leads to an important rupture mode in structures subjected to dynamics loads, in particular, structures subjected to wind action. A numerical tool to estimate lifetime of linear elastic structures, due to fatigue originated by the wind action, is presented in this work. The wind action, is considered as a stationary and ergodic random excitation acting on the structure, which is modeled with three dimensional finite elements. Stress components dueto fatigue are determined by a modal analysis in the frequency domain. Estimation on the design reliability indexes with respect to fatigue curves variability are also an objective of the present work.

Este trabalho é um estudo dos efeitos da rugosidade superficial sobre o fluxo bidimensional em torno de cilindros circulares (CC) fixos. O estudo incluiu ensaios no túnel de vento da UFRGS. Numa primeira etapa foram medidos os valores médios dos coef. de força e de pressão para 5000 S Re S 400000. Nessa etapa modelos de CC com três tipos de rugosidade (lixa, tela metálica e nervura) e quatro magnitudes de cada tipo (0.0018< k/d S 0.0123) foram ensaiados em fluxo suave. Os modelos tinham uma esbeltez 1/d=6.1. Numa segunda etapa foram feitas medições de valores flutuantes (RMS e pico) de coef. de força e de pressão, medições de densidade espectral de potência e mediação de correlação cruzada seccional e longitudinal em modelos com as menores magnitudes dos tipos de rugosidade mencionados acima. Nessa etapa os ensaios foram em fluxo suave, Re=380000, mas o modelo com nervuras foi ensaios também em fluxo turbulento (Re=250000). Em todos os casos o regime de fluxo foi ultracrítico. As principais conclusões dessa etapa foram: - Os valores flutuantes medidos nos CC rugosos foram mais elevados que aqueles observados em CC lisos no regime ultracrítico. Os resultados de espectro de potência indicam que a organização do fluxo é muito boa e ao que parece similar nos dois casos. Os resultados de correlação confirmam que CC rugosos apresentam uma boa organização do desprendimento de vórtices, comparável àquele observada em CC lisos no regime subcrítico. A introdução de turbulência no fluxo incidente não alterou de forma considerável o valor RMS dos coef. de força e de pressão, mas originou valores de pico mais elevados para esses coeficientes. Além disso, originou um espectro de potência de faixa mais larga e pico mais baixo e uma diminuição ( em módulo) dos coef. de correlação cruzada seccional e longitudinal. - Nos ensaios com fluxo suave, observou-se que na zona 30° < 0 < 80° os fatores de pico dos coef. de pressão locais foram menores (= 2,8). Na zona de sobrepressão (0<30°) e na esteira (0>100º), os fatores de pico foram mais elevados, podendo atingir 4,0 ou 5,0. Nos ensaios com fluxo turbulento, observou-se o mesmo comportamento qualitativo, mas os fatores de pico foram 20% a 40% mais elevados. / This work is a study of the effects of surface roughness on the two-dimensional flow surrounding fixed circular cylenders (CC). The study included tests in the wind tunnel of UFRGS. In a first stage, the mean force and pressure coef. Were measured at Reynolds numbers from 50,000to 400,000. In this stage CC models with three tyoes of roughness (sand paper, wire mesh and ribs) and four amounts of each tyoe (0.0018 < k/d <0.0123) were tested in smooth flow. The models had an aspect ratio 1/d=6.1. All types of roughness have proved themselves efficient in anticipating the transitions of regimes and allowing the establishment of the ultracritical regime (were the Kármán vortex reappear). But in this regime, as the relative roughnesse is increased, the differences between the parameters (drag coef., prossure coef., separation angle, etc.) measured on the rough CC and thoese observed on smooth CC also increased. The smallest relative differences were observed on the model with ribs. In a second stage, measurements of fluctuating (RMS and crest) force and pressure coef., measurements of power spectral density and measurements of sectional and longitudinal crosscorrelation with models of the smallest amounts of the roughness types cited above were made. In this stage, the tests were on smooth flow, Re=380,000, but the model with ribs was also tested in turbulent flow (Re=250,000). In all cases the flow regime was ultracritical. The principal conclusions of this stage were : -The fluctuationg values measured on the rough CC were larger than those observed on smooth CC in the ultracritical regime. The power spectral results indicate that the flow organization is quite good and seems similar in both cases. The correlations results confirm that the rough CC show a good vortex shedding organization, comparable to those observed on smooth CC in the subcritical regime. - The introduction of turbulence in the approaching flow didn’t change considerably the force and pressure RMS values, but originated larger crest values for these coefficients. In adittion, originated a power spectral with a larger band and smaller crest and a decrease (in modulus) of the seccional and longitudinal cross-correlation coefficients. - In the smooth flow tests, it was observed that in the zone 30°< 0< 80° the crest factor of the local pressure coef. Were approximately 2.8. In the positive pressure zone (0<30°) and in the wake (0>100°) the crest factors were larger, increasing up to 4.0 or 5.0. In the turbulent flow tests, it was observed the same qualitative behavior, bur the crest factos were 20% to 40% larger.

Foram estudadas experimentalmente, em túnel de vento, as pressões internas (P.I.) que ocorrem, devidas ao vento, em um modelo de edificação e estabeleceu-se uma fórmula que melhor se ajusta aos resultados nas condições dos ensaios. A P.I. foi medida em um modelo de pavilhão industrial térreo (sem divisões internas), com cobertura a duas águas inclinadas de 12° e forma em planta retangular de proporções a x b x h = 2 x 1 x 0,25. A direção do vento foi a variável principal nos ensaios, utilizando-se como parâmetros o número, a forma e a disposição geométrica das aberturas; os ensaios abrangeram assim 233 casos diferentes. Os ensaios foram realizados: 1) com Número de Reynolds (baseado na altura da cumeeira) da ordem de 107.000, numa corrente deslizante e turbulenta (intensidade de turbulência de 15%) que simulava o perfil de velocidades do vento natural, com expoente p = 0,23; 2) com Número de Reynolds da ordem de corrente de ar suave e uniforme. Os ensaios com vento turbulento e deslizante indicam a validade da fórmula mais usual, do tipo Q = K A (Δp)n, com um valor de n em torno de 0,65, para k considerado constante, e abertura dominante com área igual ou superior ao dobro (N maior ou igual a 2) da área da porosidade distribuída. As pressões internas mostram pouca variação espacial, justificando o uso de apenas um coeficiente interno (Ci) para toda a edificação. Constata-se também que o tipo de abertura tem influência no comportamento da pressão interna, e que o tipo de vento exerce somente uma influência indireta na P.I., através da pressão externa. / An experimental study of the wind-induced internal pressure (I.P.) on a model building was made in a wind tunnel and a formula was established which allows the best fit of the results. The I.P. was measured on a model of a low-rise single compartment industrial building, with a two-pitch roof of 12° slope, and a rectangular planform with proportions a x b x h = 2 x 1 x 0,25. Wind direction was the main test variable, the number, shape and geometrical arrangement of the openings were used as parameters, about 230 different cases were studied: 1) with a Reynold's number (based on ridge height) of about 107 000, in a turbulent shear flow (turbulence intensity 15%) which simulated the velocity profile of the natural wind with an exponent p = 0,23; 2) with a Reynold's number of the order of 172 000 in a smooth uniform stream. Results with a turbulent shear flow show that a flow equation of the form Q = K A (Δp)n can be used, with a flow exponent value around 0.65, assuming a constant value for K, and dominant opening twice as large as the sum of the distributed porosity of the bu1lding (N maior ou igual a 2). The I.P. show little spatial variation, justifying the assumption of a constant value of the internal pressure coefficient (Ci) for the whole building. The opening type is found to exert some influence on the I.P. behavior, while the influence of the incident flow is more indirect, through the external pressure.

E apresentada a formulação do método dos elementos finitos aplicado a problemas de resposta dinâmica permanente de sistemas estruturais lineares, desenvolvida no campo da frequência bem como o sistema computacional DINAP desenvolvido. Tendo em vista a grande capacidade de memória req uerida por esses problemas,abordam-se soluções mais adequadas para o sistema de equações. E feita uma apresentação de algoritmos de solução de sistemas de equações de grande porte, considerando o aspecto de armazenamento, e de um algoritmo com armazenamento compacto de uso de memória secundária, sendo descrito todo o gerenciamento das transferências com a memória secundária encontrado no sistema LEBRE DINAP. Algumas aplicações são mostradas com o uso da linguagem LEBRE DINAP. / The steady-state dynamic response analysis using the finite element method applied to linear structural systems, and the implementation of a new LEBRE language sub-system with prismatic and plane state el ements are presented. Al so some algorit hms for the solution of l arge systems of linear algebraic equations, consi dering the aspect of memory allocation are presented. An algorithm wi th compact scheme storage and out-of-core memory is presented in more detail, including the out-of-core memory management. Some applications with the LEBRE language are presented.

Resumo não disponível

A presente tese tem por objetivo o desenvolvimento de metodologias para a decomposição de soluções fundamentais da elasticidade tridimensional e da teoria de placas finas por intermédio de soluções fundamentais do mesmo operador diferencial. A diferença entre as soluções fundamentais utilizadas na decomposição é a simetria do tensor constitutivo de cada uma dessas soluções, cujas propriedades elásticas são diretamente proporcionais aos coeficientes da(s) equação(ões) diferencial(ais). O objetivo dessa decomposição é evitar um efeito conhecido como degeneração matemática. Esse efeito cria singularidades não regulares nessas soluções quando considerado altas simetrias, tanto na teoria de placas finas quanto na elasticidade tridimensional. Dois tipos de decomposições – cinemática e constitutiva – são apresentados e discutidos. Devido a relações hiperdefinidas, comprova-se que a decomposição via critérios cinemáticos é impossível. Mostra-se a possibilidade da decomposição constitutiva, via duas diferentes abordagens. Suas propriedades e particularidades bem como outros resultados são discutidos no decorrer do texto e são comparados, quando possível, com a literatura disponível. / The present thesis has as objective the development of a methodology for the decomposition of elastic tridimensional and thin plates fundamental solutions through fundamental solutions of the same differential operator. The difference between the fundamental solutions is the constitutive tensor symmetry of each solution, in which is directly proportional to the differential equation(s) coefficients. The objective of the decomposition is to avoid an effect known as mathematically degeneration. This effect creates non regular singularities in these solutions when high material symmetries are considered in the thin plate’s theory as well in the tridimensional elasticity. Two types of decompositions – kinematics and constitutive – are presented and discussed. Due to hyper-defined relationships, it is proved that the decomposition by kinematics criteria is impossible. It is also shown the possibility of the constitutive decomposition, by two different approaches. Their properties and particularities as well other results are discussed through the text and are compared, when possible, with the available literature.