Submitted by Stéfany Moreira (stemellra@yahoo.com.br) on 2013-02-28T16:02:54Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_EstudoNuméricoComportamento.pdf: 27938888 bytes, checksum: 5b2329c94a69e16145d8d44fcca64390 (MD5) / Approved for entry into archive by Neide Nativa (neide@sisbin.ufop.br) on 2013-03-01T17:37:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_EstudoNuméricoComportamento.pdf: 27938888 bytes, checksum: 5b2329c94a69e16145d8d44fcca64390 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-01T17:37:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_EstudoNuméricoComportamento.pdf: 27938888 bytes, checksum: 5b2329c94a69e16145d8d44fcca64390 (MD5) Previous issue date: 2011 / O objetivo desta dissertação consiste na aplicação do método dos elementos finitos (MEF), através da utilização do programa computacional ANLOG (Análise Não Linear de Obras Geotécnicas), para análise do comportamento mecânico, sob condição de equilíbrio estático e deformação plana, de pilhas de estéril de mineração, realçando os aspectos relacionados à geometria, às condições de contorno, às propriedades constitutivas (tanto do material da pilha quanto do terreno de fundação) e ao processo construtivo. Este trabalho visa contribuir para o maior entendimento do comportamento mecânico das pilhas de estéril (aterros) de modo a colaborar para a elaboração de projetos mais seguros e viáveis. Para representação do comportamento constitutivo foram adotados os modelos: linear-elástico e elástico perfeitamente plástico adotando o critério de Mohr-Coulomb modificado. No que diz respeito à simulação do processo construtivo adota-se a técnica de “ligar a gravidade” juntamente com o procedimento da malha dinâmica. Algumas análises preliminares são apresentadas com o objetivo de verificar a utilização do programa computacional ANLOG na análise tensão- deformação deste tipo de obra geotécnica. Neste caso, optou-se por apresentar situações as quais possuíam solução analítica e/ou numérica conhecida e disponível na literatura. Em seguida, considerando as normas reguladoras de mineração no que diz respeito à elaboração e apresentação de projeto de disposição de estéril em pilha, várias configurações geométricas de pilhas de estéril, dispostas em encostas e construídas pelo método ascendente, foram analisadas com o intuito de avaliar a aplicação destas normas reguladoras e verificar o comportamento das pilhas á luz da análise elastoplástica de equilíbrio estático. Por fim, um estudo de caso da pilha de estéril de Mont Jardin da Nickel SLN em New Caledonia é apresentado e os resultados desta análise numérica são comparados com os resultados obtidos por Omraci et al. (2002). __________________________________________________________________________________________ / ABSTRACT: The objective of this dissertation is the application of the finite element method (FEM), by using the computer program ANLOG (Nonlinear Analysis Geotecnhical Constructions) for static analysis of mechanical behavior of mining sterile piles under plane strain condition, highlighting tha aspects of geometry boundary conditions, the constitutive properties (both material, pile and foundation) and the construction process. This work aims to contribute to better understanding of the mechanical behavior of mining sterile piles leading to the development of safer and reliable projects. The constitutive behavior of materials was represented by linear elastic model and elasticperfectly plastic model adopting the Modified Mohr-Coulomb criterion. Regarding the simulation of the construction process adopts the technique of "gravity turn" along with the dynamic mesh procedure. Some preliminary analysis is presented in order to verify the use of computer program ANLOG for stress-strain analysis of this type of geotchnical work. In this case, it was presented situations in wwhich analytical or numerical solution were known and available in the literature. Then, considering the regulatory standards formining regarding to elaboration and presentation of mining waste dump's project, several geometric configurations of hillside piles built by the ascending method, were analyzed in order to verify the regulatory standards and the behavior of these piles in the light of the elastoplastic analysis of static equilibrium. Finally, a case study of Mont Jardin's waste dump of Nickel SLN in New Caledonia is presented and the results of this numerical analysis are compared with results obtained by Omraci et al. (2002).

O presente trabalho tem por objetivo elaborar um código computacional utilizando o Método dos Elementos Finitos para determinar o campo térmico tridimensional de elementos estruturais em situação de incêndio. A consideração dos efeitos térmicos do meio no estudo das estruturas de aço, de concreto, de madeira e mistas comumente empregadas tem sido mais frequente nos projetos atuais, pois é cada vez mais clara a necessidade de avaliar as mudanças das propriedades térmicas e mecânicas que o material apresenta em resposta às variações térmicas do meio envolvente, o que pode em alguns casos levar a estrutura ao colapso. O desenvolvimento da presente proposta de trabalho tem como base o Código de Análises Térmicas (CAT) pertencente ao código SYSAF (System for Structural Analisys in Fire), desenvolvido e apresentado em Rigobello (2011). O CAT permite a realização de análises térmicas transientes das seções transversais de elementos estruturais, contemplando apenas a realização de análises bidimensionais. A fim de permitir a realização de análises em campo tridimensional, neste trabalho o elemento finito térmico sólido hexaédrico é acrescentado ao CAT, dando origem ao código denominado FEMFIRE-3D (Finite Element Method in Fire), o qual realiza análises térmicas em regime transiente, determinando o campo térmico em seções transversais e ao longo do comprimento dos elementos estruturais analisados. A validação dos resultados obtidos com o FEMFIRE-3D nas seções transversais e ao longo do comprimento dos elementos estruturais é feita por meio da comparação dos resultados obtidos em casos presentes na literatura técnica (inclusive casos presentes nas normas brasileiras e internacionais, quando for aplicável) e que contemplam estruturas usuais em situações de incêndio, ou mesmo com resultados fornecidos por códigos reconhecidos por sua eficiência em análises térmicas de estruturas em situação de incêndio. / The present work deals with the development of a computer code using the finite element method to determine the three-dimensional thermal field of structural elements in fire. The consideration of the thermal effects of the medium in the study of structures of steel, concrete, wood and mixed commonly employed has been more frequent in current projects, due to the necessity to evaluate the changes of thermal and mechanical properties that material presented in response to thermal variations of the environment, which can in some cases lead to the collapse of the structure. The development of this work is based on the Code of Thermal Analysis (CAT) belonging to SYSAF code (System for Structural Analysis in Fire), developed and presented in Rigobello (2011). The CAT allows performing transient thermal analysis of cross sections of structural elements, limited the realization of two-dimensional analyses. To enable the analysis in three-dimensional field, in this work the thermal hexahedral element is added to the CAT, giving rise to the code named FEMFIRE 3D (Finite Element Method in Fire), which performs in transient thermal analysis, determining the thermal field in cross section and along the length of the structural elements. The validation of the results obtained with the FEMFIRE-3D in cross sections and along the length of the structural elements is done by comparing the results obtained in the present cases in the technical literature (including cases present in the Brazilian and international standards, where applicable) and include the usual structures in fire situations, or even results provided by codes recognized for its efficiency in thermal analysis of structures in fire.

Os nós de pórtico são locais de mudança de direção do eixo da estrutura, logo são regiões descontínuas, ou seja, as hipóteses de Bernoulli de deformações lineares ao longo da seção transversal não são válidas. Sendo assim os métodos convencionais de dimensionamento não se aplicam a esta região. Além disso, são regiões problemáticas também do ponto de vista construtivo, por apresentarem geralmente uma alta taxa de armadura em dimensões reduzidas. Diversas são as variáveis que influenciam o comportamento dos nós de pórtico externos, dentre elas está a força normal aplicada no pilar. Esta variável foi observada por diversos pesquisadores (Parker & Bullman, 1997; Scott et al., 1999; Hwang & Lee, 1999; Bakir & Boduroglu, 2002; Hegger et al., 2003), porém com grandes divergências de opiniões sobre sua influência na ligação. Desta forma, este trabalho visa analisar a influência da força normal no comportamento de nós de pórtico externos de concreto armado. Neste sentido é apresentada uma extensa pesquisa bibliográfica abordando trabalhos experimentais e modelos teóricos propostos para o dimensionamento dos nós (bielas e tirantes). Inserindo-se no contexto é analisada a influência da força normal nos nós de pórtico externos por meio da análise experimental de quatro ligações sujeitas a diferentes níveis de força normal, da comparação com os modelos teóricos apresentados e da simulação numérica do nó de pórtico com o aplicativo ABAQUS, utilizando como ferramenta básica o método dos elementos finitos (MEF) / The joints are points where the structures’ axes swerving, therefore they are discontinuous regions, it means, Bernoulli’s hypotheses of linear deformations over the section are not valid. Consequently the conventional methods of design are not applied to this region. Moreover, the joints are also problematic regions to build, for generally presenting one high reinforcement ratio in reduced geometricals dimensions. The normal force applied in the column is one among several variables that influence exterior joints behavior. This variable was observed by many researchers (Parker & Bullman, 1997; Scott et al., 1999; Hwang & Lee, 1999; Bakir & Boduroglu, 2002; Hegger et al., 2003), however with divergences of opinions on its influence in the connection. So, this work aims to analyze the influence of the normal force in reinforcement concrete exterior joint behavior. In this way an extensive literature review is presented approaching experimental works and proposed theoretical models for the joint design (strut an ties). Inserting the research on the context, the influence of the normal force in exterior joints was done through experimental analysis of four connections with different levels of normal force, comparisons with the theoretical models presented and numerical simulation of the joint using finite elements method (FEM) packages at the software ABAQUS

O presente trabalho tem por objetivo elaborar um código computacional utilizando o Método dos Elementos Finitos para determinar o campo térmico tridimensional de elementos estruturais em situação de incêndio. A consideração dos efeitos térmicos do meio no estudo das estruturas de aço, de concreto, de madeira e mistas comumente empregadas tem sido mais frequente nos projetos atuais, pois é cada vez mais clara a necessidade de avaliar as mudanças das propriedades térmicas e mecânicas que o material apresenta em resposta às variações térmicas do meio envolvente, o que pode em alguns casos levar a estrutura ao colapso. O desenvolvimento da presente proposta de trabalho tem como base o Código de Análises Térmicas (CAT) pertencente ao código SYSAF (System for Structural Analisys in Fire), desenvolvido e apresentado em Rigobello (2011). O CAT permite a realização de análises térmicas transientes das seções transversais de elementos estruturais, contemplando apenas a realização de análises bidimensionais. A fim de permitir a realização de análises em campo tridimensional, neste trabalho o elemento finito térmico sólido hexaédrico é acrescentado ao CAT, dando origem ao código denominado FEMFIRE-3D (Finite Element Method in Fire), o qual realiza análises térmicas em regime transiente, determinando o campo térmico em seções transversais e ao longo do comprimento dos elementos estruturais analisados. A validação dos resultados obtidos com o FEMFIRE-3D nas seções transversais e ao longo do comprimento dos elementos estruturais é feita por meio da comparação dos resultados obtidos em casos presentes na literatura técnica (inclusive casos presentes nas normas brasileiras e internacionais, quando for aplicável) e que contemplam estruturas usuais em situações de incêndio, ou mesmo com resultados fornecidos por códigos reconhecidos por sua eficiência em análises térmicas de estruturas em situação de incêndio. / The present work deals with the development of a computer code using the finite element method to determine the three-dimensional thermal field of structural elements in fire. The consideration of the thermal effects of the medium in the study of structures of steel, concrete, wood and mixed commonly employed has been more frequent in current projects, due to the necessity to evaluate the changes of thermal and mechanical properties that material presented in response to thermal variations of the environment, which can in some cases lead to the collapse of the structure. The development of this work is based on the Code of Thermal Analysis (CAT) belonging to SYSAF code (System for Structural Analysis in Fire), developed and presented in Rigobello (2011). The CAT allows performing transient thermal analysis of cross sections of structural elements, limited the realization of two-dimensional analyses. To enable the analysis in three-dimensional field, in this work the thermal hexahedral element is added to the CAT, giving rise to the code named FEMFIRE 3D (Finite Element Method in Fire), which performs in transient thermal analysis, determining the thermal field in cross section and along the length of the structural elements. The validation of the results obtained with the FEMFIRE-3D in cross sections and along the length of the structural elements is done by comparing the results obtained in the present cases in the technical literature (including cases present in the Brazilian and international standards, where applicable) and include the usual structures in fire situations, or even results provided by codes recognized for its efficiency in thermal analysis of structures in fire.

Os nós de pórtico são locais de mudança de direção do eixo da estrutura, logo são regiões descontínuas, ou seja, as hipóteses de Bernoulli de deformações lineares ao longo da seção transversal não são válidas. Sendo assim os métodos convencionais de dimensionamento não se aplicam a esta região. Além disso, são regiões problemáticas também do ponto de vista construtivo, por apresentarem geralmente uma alta taxa de armadura em dimensões reduzidas. Diversas são as variáveis que influenciam o comportamento dos nós de pórtico externos, dentre elas está a força normal aplicada no pilar. Esta variável foi observada por diversos pesquisadores (Parker & Bullman, 1997; Scott et al., 1999; Hwang & Lee, 1999; Bakir & Boduroglu, 2002; Hegger et al., 2003), porém com grandes divergências de opiniões sobre sua influência na ligação. Desta forma, este trabalho visa analisar a influência da força normal no comportamento de nós de pórtico externos de concreto armado. Neste sentido é apresentada uma extensa pesquisa bibliográfica abordando trabalhos experimentais e modelos teóricos propostos para o dimensionamento dos nós (bielas e tirantes). Inserindo-se no contexto é analisada a influência da força normal nos nós de pórtico externos por meio da análise experimental de quatro ligações sujeitas a diferentes níveis de força normal, da comparação com os modelos teóricos apresentados e da simulação numérica do nó de pórtico com o aplicativo ABAQUS, utilizando como ferramenta básica o método dos elementos finitos (MEF) / The joints are points where the structures’ axes swerving, therefore they are discontinuous regions, it means, Bernoulli’s hypotheses of linear deformations over the section are not valid. Consequently the conventional methods of design are not applied to this region. Moreover, the joints are also problematic regions to build, for generally presenting one high reinforcement ratio in reduced geometricals dimensions. The normal force applied in the column is one among several variables that influence exterior joints behavior. This variable was observed by many researchers (Parker & Bullman, 1997; Scott et al., 1999; Hwang & Lee, 1999; Bakir & Boduroglu, 2002; Hegger et al., 2003), however with divergences of opinions on its influence in the connection. So, this work aims to analyze the influence of the normal force in reinforcement concrete exterior joint behavior. In this way an extensive literature review is presented approaching experimental works and proposed theoretical models for the joint design (strut an ties). Inserting the research on the context, the influence of the normal force in exterior joints was done through experimental analysis of four connections with different levels of normal force, comparisons with the theoretical models presented and numerical simulation of the joint using finite elements method (FEM) packages at the software ABAQUS

Analisa o comportamento tribológico do pneumático. Discute o coeficiente de atrito do pneu, a influência do pavimento e os avanços na modelagem. Apresenta uma metodologia para estimativa do desgaste de pneus pelo método dos elementos finitos. Usa o conceito de trabalho de abrasão. Considera nas condições de contorno do modelo de pneu o efeito do camber e do ângulo de deriva. Investiga a interação vibracional entre o pneu e a suspensão como causa de desgaste irregular. Utiliza modelagem de ônibus rodoviário por multicorpos com eixo flexível. Emprega técnica tempo-freqüência para análise do acoplamento modal entre pneu e suspensão. Propõe novos modelos para estudo do desgaste em pneus analisando-se um modelo completo de veículo pelo método dos elementos finitos. Sugere análises de sensibilidade considerando os parâmetros de regulagem da suspensão e condições operacionais dos componentes. Propõe análises estocásticas da especificação do pneu para otimização do sistema pneu-suspensão. / The tire tribological behavior is analyzed. The friction coefficient of rubbers is presented, and its inherent modeling difficulties regarding the operational condition dependence during measurements are discussed. The influence of the pavement roughness and the advances in friction modeling are presented. A predictive methodology to evaluate the tread wear using finite element method and the concept of frictional energy was used. Camber, lateral forces and slip angles are taken into account as boundary conditions for the tire simulations in steady state. The vibrational interaction between tire and suspension concerning irregular wear on front axle truck tires was investigated. A multibody bus model with flexible front axle was used for modal analysis purposes. A time-frequency methodology was applied to identify modal vibrations of the tire and suspension assemblage. A new simulation model for the tire wear was proposed intending to analyze the whole vehicle with under the finite element method. Sensitivity analysis of the vehicle suspension setup and operational conditions of components was suggested. Stochastic analysis of tire specification is recommended to optimize the tire-suspension system.

Analisa o comportamento tribológico do pneumático. Discute o coeficiente de atrito do pneu, a influência do pavimento e os avanços na modelagem. Apresenta uma metodologia para estimativa do desgaste de pneus pelo método dos elementos finitos. Usa o conceito de trabalho de abrasão. Considera nas condições de contorno do modelo de pneu o efeito do camber e do ângulo de deriva. Investiga a interação vibracional entre o pneu e a suspensão como causa de desgaste irregular. Utiliza modelagem de ônibus rodoviário por multicorpos com eixo flexível. Emprega técnica tempo-freqüência para análise do acoplamento modal entre pneu e suspensão. Propõe novos modelos para estudo do desgaste em pneus analisando-se um modelo completo de veículo pelo método dos elementos finitos. Sugere análises de sensibilidade considerando os parâmetros de regulagem da suspensão e condições operacionais dos componentes. Propõe análises estocásticas da especificação do pneu para otimização do sistema pneu-suspensão. / The tire tribological behavior is analyzed. The friction coefficient of rubbers is presented, and its inherent modeling difficulties regarding the operational condition dependence during measurements are discussed. The influence of the pavement roughness and the advances in friction modeling are presented. A predictive methodology to evaluate the tread wear using finite element method and the concept of frictional energy was used. Camber, lateral forces and slip angles are taken into account as boundary conditions for the tire simulations in steady state. The vibrational interaction between tire and suspension concerning irregular wear on front axle truck tires was investigated. A multibody bus model with flexible front axle was used for modal analysis purposes. A time-frequency methodology was applied to identify modal vibrations of the tire and suspension assemblage. A new simulation model for the tire wear was proposed intending to analyze the whole vehicle with under the finite element method. Sensitivity analysis of the vehicle suspension setup and operational conditions of components was suggested. Stochastic analysis of tire specification is recommended to optimize the tire-suspension system.

The development of new materials and technologies, associated to increasingly complex problems in structural engineering, require more robust and accurate numerical analyses with an affordable computational cost. Computer modeling has been evolving by improving existing numerical methods and also developing new ones. Among the methods widely applied, finite elements have become a powerful tool in the search for solutions in structural engineering. Other approaches also emerged as alternative modeling strategies, such as artificial intelligence techniques. One of these techniques, Artificial Neural Networks (ANN), is designed for simulating human conexionism paradigm. ANN has been applied in several areas to solve a range of problems concerning classification, function fitting, forecasting, among others. This work explores ways to coupling ANN to traditional approximation methods such as the Finite Element Method (FEM) for applications in plane elastostatics, considering geometrically nonlinear aspects. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O desenvolvimento de novos materiais e tecnologias, associado a projetos estruturais cada vez mais complexos, demandam análises numéricas robustas e precisas a um custo computacional adequado. Estudos em modelagem computacional têm evoluído no sentido de suprir a essa demanda aprimorando continuamente os métodos numéricos já existentes, bem como propondo novas técnicas. Dentre os métodos amplamente utilizados, o Método dos Elementos Finitos (MEF) tornou-se uma potente ferramenta de busca por soluções no âmbito da engenharia estrutural. Também surgiram abordagens alternativas de resolução relacionadas à modelagem, tais como as técnicas de inteligência artificial. Uma dessas técnicas, as Redes Neurais Artificiais (RNA), são redes projetadas para modelar capacidades humanas como aprendizagem e generalização através de estrutura de processamento que utiliza o conexionismo como paradigma. As RNA têm sido aplicadas nas mais diversas áreas na solução de uma gama de problemas que envolvem classificação, aproximação de funções, previsão, dentre outros. Este trabalho explora maneiras de incorporar RNA a métodos aproximativos tradicionais como o Método dos Elementos Finitos para aplicação em problemas de elasticidade plana, considerando não linearidade geométrica.

Les phénomènes de couplage électromagnétique entre les lignes aériennes de transmission d'énergie et des structures voisines sont inévitables, surtout dans les zones densément peuplées. Les effets indésirables découlants de cette proximité sont variés, allant de l'établissement des tensions dangereuses à l'apparition de phénomènes de corrosion dus au courant alternatif. L'étude de cette classe de problèmes est nécessaire pour assurer la sécurité dans les alentours de la zone d'interaction et aussi pour préserver l'intégrité des équipements et des dispositifs présents. Cependant, la modélisation complète de ce type d'application implique la représentation tridimensionnelle de la région d'intérêt et nécessite des méthodes numériques de calcul de champs spécifiques. Dans ces travaux, des problèmes liés à la circulation de courants électriques dans le sol (ou de couplage dit conductif) seront abordés avec la méthode des éléments finis. D'autres problèmes résultants de la variation temporelle des champs électromagnétiques (ou de couplage dit inductif) seront aussi considérés et traités avec la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) généralisée. Plus précisément, une condition limite particulière sur le potentiel électrique est proposée pour tronquer le domaine de calcul dans l'analyse par éléments finis des problèmes de couplage conductif et une formulation PEEC complète pour la modélisation de problèmes de couplage inductif est présentée. Des configurations tests de complexités croissantes sont considérées pour valider les approches précédentes. Ces travaux visent ainsi à apporter une contribution à la modélisation de cette classe de problèmes, qui tendent à devenir communs avec l'expansion des réseaux électriques. / Electromagnetic coupling phenomena between overhead power transmission lines and other nearby structures are inevitable, especially in densely populated areas. The undesired effects resulting from this proximity are manifold and range from the establishment of hazardous potentials to the outbreak of alternate current corrosion phenomena. The study of this class of problems is necessary for ensuring security in the vicinities of the interaction zone and also to preserve the integrity of equipment and devices there present. However, the complete modeling of this type of application requires the three-dimensional representation of the region of interest and needs specific numerical methods for field computation. In this work, the modeling of problems arising from the flow of electrical currents in the ground (the so-called conductive coupling) will be addressed with the finite element method. Those resulting from the time variation of the electromagnetic fields (the so-called inductive coupling) will be considered as well, and they will be treated with the generalized PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) method. More specifically, a special boundary condition on the electric potential is proposed for truncating the computational domain in the finite element analysis of conductive coupling problems, and a complete PEEC formulation for modeling inductive coupling problems is presented. Test configurations of increasing complexities are considered for validating the foregoing approaches. These works aim to provide a contribution to the modeling of this class of problems, which tend to become common with the expansion of power grids. / Fenômenos de acoplamento eletromagnético entre linhas aéreas de transmissão de energia e outras estruturas vizinhas são inevitáveis, sobretudo emáreas densamente povoadas. Os efeitos indesejados decorrentes desta proximidadesão variados, indo desde o estabelecimento de potenciais perigosos até o surgimento de processos de corrosão por corrente alternada. O estudo desta classe de problemas é necessária para a garantia da segurança nas imediações da zona de interação e também para se preservar a integridade de equipamentos e dispositivos ali presentes. Entretanto, a modelagem completa deste tipo de aplicação requer a representação tridimensional da região de interesse e necessita de métodos numéricos de cálculo de campos específicos. Neste trabalho, serão abordadas as modelagens de problemas decorrentes da circulação de correntes elétricas no solo (ditos de acoplamentocondutivo) com o método dos elementos finitos. Também serão considerados problemas produzidos pela variação temporal dos campos eletromagnéticos (ditos de acoplamento indutivo), que serão tratados com o método PEEC(Partial Element Equivalent Circuit) generalizado. Mais especificamente, uma condição de contorno particular sobre o potencial elétrico é proposta para o truncamento do domínio de cálculo na análise de problemas de acoplamento condutivo com o método dos elementos finitos, e uma formulação completa tipo PEEC para a modelagem de problemas de acoplamento indutivo é apresentada. Problemas teste de complexidades crescentes são considerados para a validação das abordagens precedentes. Estes trabalhos visam fornecer desta forma uma contribuição à modelagem desta classe de problemas, que tendem a se tornar comuns com a expansão das redes elétricas.