A verificação ao cisalhamento de vigas de concreto armado é realizada, geralmente, assumindo sua independência do comportamento à flexão. Dentre os mecanismos que influenciam na resistência à força cortante, a força cortante transmitida pelo banzo comprimido da viga e o engrenamento de agregados são os mais abordados em pesquisas nos ultimos anos. Ambos dependem do nível de tensões normais atuante na seção do elemento. Sendo assim, o comportamento ao cisalhamento fica evidentemente dependente do comportamento à flexão e de como o concreto se comporta à tração e à compressão. Para melhor entender este comportamento, este trabalho compreendeu duas frentes de análise: experimental e numérica. Ensaios de tirantes foram realizados no intuito de avaliar o enrijecimento à tração do concreto com fibras. Além disso, ensaios de flexão em três pontos em prismas de 15cm x 15cm x 50 cm foram feitos para avaliar o comportamento pós-pico à tração do concreto. Ensaios de compressão em cilindros de concreto 10×20cm foram realizados de maneira a apontar estimativas para a energia de fratura à compressão e o comportamento pós-pico do concreto com diferentes taxas volumétricas de fibras. Seguindo os resultados experimentais, simulações numéricas dos ensaios de flexão em três pontos e dos ensaios de compressão foram desenvolvidas com o intuito de melhorar o entendimento dos ensaios realizados. Estes estudos aperfeiçoaram primordialmente os conhecimentos do comportamento do concreto à tração e compressão pós-fissuração. Foram ensaiadas nove vigas de concreto armado variando volume de fibras e a relação entre a distância da carga até o apoio mais próximo e a altura útil da viga ( a / d). Os resultados destes ensaios mostram que a resistência à força cortante aumenta com a taxa volumétrica de fibras e que o esquema estático adotado interfere pouco na resistência. Além disso, os resultados do estudo de caracterização do comportamento pós-pico do concreto foi aplicado na simulação numérica da viga. Os resultados numéricos apontam diferenças na rigidez global quando comparados com os resultados experimentais. / The shear strength verification of reinforced concrete beams is generally performed assuming their independence from the flexural behavior. Among the mechanisms that influence the shear strength, the shear force transmitted by the concrete compressed zone of the beam and the aggregate interlock are the most studied in the last years. Both depend on the level of normal stresses acting on the element section. Therefore, the shear behavior is obviously dependent on the flexural behavior and how the concrete behaves in tension and compression. For a better understanding, this work comprised two fronts of analysis: experimental and numerical. Tension ties tests were performed in order to evaluate the tension stiffening of concrete with fibers. In addition, three-point bending tests on 15cm x 15cm x 50cm prisms were made to evaluate the post-peak tension behavior of the concrete, or tension softening. Compression tests on 10 × 20cm concrete cylinders were carried out in order to estimate the compression fracture energy and the post-peak behavior of concrete with different volumetric fiber rates. Following the experimental results, numerical simulations of the three-point bending tests and the compression tests were developed with the aim of improving the understanding of the tests performed. These studies have the aim of improving the understanding of the three-point bending and compression tests performed. Nine reinforced concrete beams were tested, varying the volume of fibers and the relation between the distance of the load to the closest support and the useful height of the beam (a/d). The results of these tests show that shear strength increases with the volumetric rate of fibers and that the static scheme adopted does not interfere in resistance. In addition, the results of the post-peak concrete characterization study of the concrete were applied in the numerical simulation of the beam. Numerical results show differences in overall stiffness when compared with experimental results.

Este trabalho tem como objetivo fornecer contribuições ao estudo de sistemas de aterramento submetidos a correntes elétricas no regime permanente senoidal pelo Método dos Elementos Finitos. Nele se discutem as motivações para a utilização deste procedimento numérico em problemas desta categoria, e mais especificamente para o uso da variante deste método com elementos finitos de aresta. O tratamento completo necessário à construção das funções de forma para a aproximação local de grandezas vetoriais com elementos hexaédricos é nele desenvolvido e detalhado. Com estes resultados, uma aplicação computacional capaz de modelar o comportamento de uma haste de aterramento verticalmente enterrada no solo foi desenvolvida, utilizando-se para a discretização do domínio elementos finitos hexaédricos tri-lineares e quadráticos incompletos. Esta aplicação computacional foi utilizada para o estudo da resposta em freqüência da impedância equivalente a aterramentos desta categoria em diferentes condições de solo e com as duas variedades de elemento hexaédrico anteriormente mencionados. Os resultados obtidos são então discutidos, bem como a validade da modelagem adotada para o problema físico aqui considerado. / This work aims to provide contributions to the study of grounding systems subjected to electric currents at the sinusoidal steady state by the Finite Element Method. Motivations for the use of this numerical procedure in problems of this category, and more specifically for the usage of the Edge Finite Element Method variant, are discussed in it. The complete treatment required for building the shape functions for the local approximation of vector physical quantities with hexahedral finite elements is here developed and detailed. With these results a computer application capable of modeling the behavior of vertically buried grounding rods was developed, in which domain discretization is accomplished by the usage of both tri-linear and incomplete quadratic hexahedral finite elements. This computer application was employed in the study of the frequency response of the impedance equivalent to grounding systems of this class at different soil conditions and with both hexahedral element varieties previously mentioned. The results obtained are then discussed, as well as the validity of the modeling adopted for this physical problem.

Orientador: Jose Roberto de França Arruda / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:08:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Albuquerque_ElsonLimade_M.pdf: 5441408 bytes, checksum: a2117bd817e2c8a2d88bf1324af63fd6 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho de mestrado são investigadas as limitações do método dos elementos finitos na análise dinâmica de painéis reforçados. O painel foi modelado usando diferentes tipos de malha, mostrando que, dependendo do tamanho do elemento (ou número de graus de liberdade) usado na modelagem, o modelo não representa de uma maneira adequada a estrutura real. Para validar o modelo experimentalmente, foi construído um painel reforçado de alumínio e, através de métodos experimentais, foi feita uma análise modal. Os limites da modelagem pelo método dos elementos finitos, no que diz respeito às médias freqüências foram testados e comparados com resultados experimentais. Com a finalidade de reduzir o custo computacional, foi realizada uma comparação entre o método de elementos finitos e o método de elementos espectrais. Devido às incertezas de alguns parâmetros de entrada dos modelos, foram consideradas variações estatísticas em alguns parâmetros usando o Método de Monte Carlo e o Método da Superfície de Resposta. Os resultados mostraram que a partir de uma certa freqüência o método dos elementos finitos torna-se inviável devido ao alto custo computacional e que em altas freqüências o modelo dinâmico é sensível a pequenas variações nos parâmetros de entrada / Abstract: In this master's thesis work, finite element method limitations are investigated in the dynamic analysis of reinforced panels. The panel was modelled using different meshes in order to show that, depending on the element length (or the number of degree of freedom) used in the model, the model does not properly stand for the real structure. In order to assess experimentally the model, an aluminum reinforced panel was built and, through experimental methods, a modal analysis was carried out. The finite element modelling limits were tested and compared to experimental results regarding mid-frequencies. A comparison between finite element and spectral element methods was carried out for computational cost reduction purposes. Due to uncertainties of some model input parameters, a statistical variation was performed using Monte Carlo and Surface Response methods. Results have shown that, at high frequencies the finite element method is not appropriete for dynamic analysis due to high computational costs in high frequency and it is highly sensitive to small variations ofthe input parameters / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-08-10T15:25:59Z No. of bitstreams: 1 Tese_Geraldo_Belmonte_2016.pdf: 2695418 bytes, checksum: 2a9690a5f6ddd075770a578b20f23383 (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-08-10T15:26:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese_Geraldo_Belmonte_2016.pdf: 2695418 bytes, checksum: 2a9690a5f6ddd075770a578b20f23383 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-10T15:26:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Geraldo_Belmonte_2016.pdf: 2695418 bytes, checksum: 2a9690a5f6ddd075770a578b20f23383 (MD5) Previous issue date: 2016-10-03 / A new finite element method is proposed for mixed variational formulation by use of the hybridization technique and of the adding of several stabilization mechanisms to the classical Galerkin methods applied to the elasticity problems. The method is designed by hibridization technique of the classical dual mixed formulation applied to the element level, adding various least-squares residual terms of the locally governing equations and of the interelement continuity conditions of the fields. The residual terms are added without violating the consistency condition of the methods and include mesh-parameter dependent coefficients. The method is designed to enhance stability in a better norm, adding features such as: flexibility in the choice of the approximation spaces, including equal-order interpolation, by adding residual stabilization terms; improvement of the convergence rate of the dual variables, using mixed formulation; very efficient solver with global system assembled with Lagrange multiplier (hybridized variable) only via static condensation; robustness to solver problems with non smooth fields and internal limits, including discontinuous fields (e.g. cracks), typical features of Galerkin discontinuous; possibility of easily handling local enrichment with polynomial (p-adaptivity) and non polynomial functions in different elements; and under certain conditions we have local conservation. The stability of the methods is proved and various numerical experiments are provided to show the features listed above, including convergence rates, stability and accuracy. The method is applied the several problems of plane stress, plane strain and axisymmetric solid, including the cases of compressible elasticity, Girkmann problem and linear elastic fracture. / Um método de elementos finitos baseado na formulação mista hibridizada e estabilizada aplicado a problemas de elasticidade é proposto. O método é construído pela hibridização, no nível do elemento, da formulação mista dual clássica de Galerkin com a adição de vários termos de resíduos de mínimos quadrados das equações que governam o problema localmente e resíduos de mínimos quadrados das equações de continuidade interelemento. Os termos de resíduos são adicionados de forma a não violar a consistência do método e incluem coeficientes dependentes do parâmetro de malha h. O método é projetado para melhorar a estabilidade em normas mais fortes, adicionando características, tais como: flexibilidade nas escolhas dos espaços de aproximação, incluindo igual ordem, através dos termos de estabilização; melhora da taxa de convergência das variáveis duais, usando métodos mistos; uma estratégia de solver mais eficiente (menor custo computacional) com a montagem do sistema global apenas no multiplicador de Lagrange (variável hibridizada) via condensação estática; robustez do método na solução de problemas com campos não suaves e problemas limites, incluindo campos descontínuos, característica típica de métodos de Galerkin descontínuo; facilidade para implementar processos de enriquecimento local com funções polinomiais (p-adaptatividade) e não polinomiais em diferentes elementos; e sob determinadas condições, obtenção de conservação local. A estabilidade dos métodos é provada e experimentos numéricos são realizados para demonstrar as características elencadas anteriormente, incluindo taxas de convergência, estabilidade e exatidão. Os métodos são aplicados a diversas classes de problemas em estado plano de tensão e deformação e sólido axissimétrico, incluindo elasticidade compressível, problema de Girkmann e fratura elástica linear.

Tubos flexíveis são amplamente utilizados na indústria offshore. Essas estruturas são empregadas no transporte de fluidos, na exploração de petróleo em águas profundas. Suas diversas camadas conferem propriedades, como a resistência mecânica e a impermeabilidade, que são importantes em ambientes de condições adversas. A instalação é uma etapa crítica da vida útil dos tubos flexíveis, visto que os carregamentos de lançamento podem danificar a estrutura dos mesmos. As cargas predominantes durante essa etapa são o peso próprio da linha, os esforços de compressão radial que são impostos ao tubo pelas sapatas dos tensionadores e a pressão de estrangulamento aplicada ao tubo pelas armaduras de tração. A magnitude dessas cargas está diretamente associada à profundidade de lançamento. O presente trabalho tem como objetivo a análise qualitativa dos principais parâmetros responsáveis pela falha dos tubos flexíveis quando submetidos aos carregamentos de lançamento. O comportamento do tubo é investigado em função da variação das cargas de esmagamento (crushing) e de estrangulamento (squeezing) com a profundidade de lançamento da linha. Esse estudo é conduzido através da proposição de modelos numéricos baseados no método dos Elementos Finitos. Aspectos importantes de modelagem como a representação do perfil real das camadas metálicas e das sapatas e a avaliação dos contatos entre as camadas são considerados nos modelos propostos. Os parâmetros de investigação são: a quantidade de sapatas e seu ângulo de abertura; a adição da capa polimérica externa e o estudo de seu contato com as sapatas; a rigidez das sapatas; e a profundidade de falha do tubo com atuação simultânea dos carregamentos de esmagamento e estrangulamento. A avaliação da influência desses parâmetros na falha do tubo flexível durante o lançamento é o escopo deste trabalho. Essa análise ainda proporcionou a determinação das regiões de escoamento das camadas metálicas considerando cada uma das variáveis avaliadas. Através deste trabalho, foi possível perceber que todos os parâmetros investigados têm influência na falha do tubo flexível. Alguns, no entanto, como o tipo de contato entre a camada polimérica externa e as sapatas, e a atuação do carregamento de estrangulamento no tubo não atuam de maneira significativa na falha. Assim, foi eleita uma configuração de lançamento a favor da segurança para o tubo investigado com base nos parâmetros estudados. / Flexible pipes are widely used in the offshore industry. These structures are employed in the transportation of fluids in deep-water oil exploitation. Its several layers provide different properties as mechanical strength and tightness that are important for operation in harsh environment condition. The installation procedure is critical in the life cycle of flexible pipes since the installation loads can damage the pipe structure. The prevailing loads during this step are the pipe weight, radial compressive forces applied to the pipe by the shoes of the tensioners, and the squeezing loads applied to the pipe by the tensile armors. The extent of these loads is directly linked with the launching depth. The main goal of this dissertation is the qualitative analysis of the main parameters that leads the pipe to failure by the installation loads. The behavior of the pipe is investigated considering the change in crushing and squeezing loads with the launching depth. This analysis is done through numerical models based on the Finite Element Method. Important modeling assumptions such as the representation of the actual profile of the layers and shoes and contact-pair between the layers are features taken in account into the models presented. The parameters investigated are: the number of shoes and their opening angle; the addition of the external polymeric sheath, and the study of their contact with the shoes; the stiffness of the shoes; and the depth by which the failure of the tube occurs when the crushing and squeezing loads are applied. The scope of this work is the evaluation of these parameters in the tube failure during installation. This analysis also provided to determine the regions of layers yielding considering one of the variables. Through this work, it was noticed that all parameters investigated contribute to the tube failure. However, some of them such as the contact between the external polymeric sheath and shoes, and the squeezing load do affect significantly to failure. Therefore, a launching configuration was chosen respecting the safety of the pipe, and based on the parameters investigated.

Atualmente, os documentos normativos que tratam da determinação das propriedades de rigidez e resistência para elementos roliços estruturais de madeira não levam em consideração em seus modelos matemáticos a influência das irregularidades existentes na geometria dessas peças. O presente trabalho tem como objetivo determinar o valor ótimo do módulo de elasticidade longitudinal para peças roliças estruturais de madeira por intermédio de uma técnica de otimização aliada ao método da análise inversa, ao método dos elementos finitos e ao método dos mínimos quadrados. / Currently, the normative documents that deal with the determination of the properties of rigidity and resistance for round structural timber elements round timber do not take in consideration in both calculations and mathematical models the influence of the existing of irregularities in the geometry of these elements. An objective of this work is to determine the optimum value of the modulus of elasticity for round structural timber elements by an optimization technique associated to the inverse analysis method, to the finite element method and the least squares method.

Este trabalho apresenta um estudo de aplicabilidade de diferentes critérios de falhas para materiais compósitos poliméricos reforçados, especificamente laminados compostos de fibras unidirecionais, submetidos a carregamento de flexão. Consiste inicialmente de um levantamento bibliográfico para descrever os principais mecanismos de falhas e como estes podem ser analisados. É realizada uma avaliação dos principais critérios de falhas existentes, em estudos de casos de vigas do material submetidas a esforços de flexão três pontos. Para tal avaliação utilizou-se o método dos elementos finitos, devido à complexidade da análise de tensões em compósitos poliméricos reforçados. Posteriormente foram implementadas rotinas computacionais para o cálculo de alguns dos critérios de falhas encontrados na literatura. Assim, analisou-se as potencialidades e limitações desses critérios nos estudos de caso abordados. / This work presents a study about the applicability of different failure criteria for laminated reinforced composite materials made of unidirectional fibers, under flexural loads. First, it is described the failure mechanisms of this material, and how this can be evaluated. Some of the most important failure criteria are tested for beams under flexural loads. Because of the complexity of composite stress analysis, it was used the Finite Element Method. After that, some computational routines were implemented to calculate the failure criteria. The advantages and limitations of these theories could be verified for the flexural case studies.

This research studies a Transcutaneous Energy Transfer (TET) system which uses electromagnetic fields to transfer power from outside the body to an artificial organ (AO) in the body. It works like a high frequency transformer whereas the skin is part of the magnetic coupling between the primary (external) and secondary (internal) coils. Thus, the external coil (transmitter), which is excited by an oscillator circuit that transforms the continuous (DC) voltage to high-frequency alternating (AC) voltage, transfers energy to an internal system (receiver) containing a coil associated with a rectifier-regulator circuit to supply power to the AO and an internal rechargeable battery. Due to the diversity of research areas in TET systems, this thesis focused mainly on the TET coils, exploring few aspects of the electronic circuits which directly affect the proper design of the coils. Simulations of different configurations of coils (with different magnetic material types and different core geometrical dimensions) and different electrical parameters were performed via Finite Element Method (FEM) applications. Analyses of the results of these simulations with and without serial resonant capacitors (SRCs) observed the behavior of the coils considering the efficiency, regulation, specific absorption rate (SAR) and current density induced in the skin. These results also facilitated an optimization procedure using Kriging method without the need for new simulations via FEM. In parallel with the optimization procedure, different physical prototypes were created and tested to validate the simulations and explore the behavior of the coils. The temperature increase of the coils and the threshold limits of the electronic circuits were observed, suggesting new optimization strategies. Since the computation of the temperature is too complicated, the temperature rise was indirectly considered in this research by the use of a factor called thermo factor, which represents the relationship between the dissipated power and the area of the coil. Moreover, since the AO requires a constant power, the load of the TET system was modeled as a variable resistance. This thesis proposed an algorithm to compute this value of the variable resistance directly in the FEM simulations. Thus, another optimization procedure was proposed with the new mentioned strategy by directly interacting with the FEM application. In this second case, homogenization methods were used to simplify the mesh without neglecting eddy current, proximity and skin effects, thus allowing accurate simulations of coils with thicker wire gauges and at higher frequencies. In the end, the results of both simulations were briefly discussed to evaluate configurations eligible for construction or assembly. / Esse trabalho estuda um sistema de transferência de energia transcutâneo (TET) que, tal qual um transformador de alta freqüência, usa campos eletromagnéticos para transferir potência de fora do corpo a um órgão artificial dentro do corpo. Assim, a pele passa a ser parte do acoplamento magnético entre o primário (bobina externa) e o secundário (bobina interna). Dessa forma, a bobina externa (transmissor) é excitada por um circuito oscilador, gerando corrente alternada de alta freqüência e transfere energia ao sistema secundário interno (receptor) que contém uma bobina associada a um circuito retificador seguido de amplificadores e reguladores para alimentar o órgão artificial e/ou uma bateria recarregável interna. Devido à diversidade de áreas para pesquisar, esta tese teve as bobinas de TET como objetivo principal, explorando alguns aspectos dos circuitos eletrônicos que afetam diretamente o projeto adequado das bobinas. Simulações de diferentes configurações de bobinas (com diferentes tipos de material magnético e diferentes dimensões geométricas dos núcleos) e diferentes parâmetros elétricos foram realizados através de softwares de Método dos Elementos Finitos (FEM). Essas análises com e sem capacitores de ressonância série (SRCs) observaram o comportamento das bobinas considerando o rendimento, a regulação, a taxa de absorção específica (SAR) e densidade de corrente induzida na pele. Os resultados dessas simulações também facilitou um procedimento de otimização usando o método de Kriging, sem a necessidade de novas simulações via FEM. Em paralelo com o processo de optimização, diferentes protótipos físicos foram criados e testados para validar as simulações e explorar o comportamento das bobinas. O aumento da temperatura nas bobinas e os limites dos circuitos eletrônicos foram observados, sugerindo novas estratégias de otimização. Uma vez que o cálculo da temperatura é demasiado complicado, esta pesquisa sugere o uso de um fator, aqui denominado \"fator térmico\", para indiretamente considerar esse aumento de temperatura. Além disso, uma vez que o AO requer uma potência constante, a carga do transformador de TET foi modelada como uma resistência variável. Esta tese propõe um algoritmo para calcular este valor de resistência variável diretamente nas simulações com FEM. Assim, foi proposto um outro procedimento de otimização com a nova estratégia mencionada, interagindo diretamente com a aplicação de FEM. Neste segundo caso, os métodos de homogeneização foram utilizados para simplificar a malha sem ignorar correntes de Foucault, e os efeitos pelicular e de proximidade, permitindo simulações precisas de bobinas com fios mais grossos e em frequências mais altas. Os resultados de ambas as simulações foram discutidos brevemente no final para avaliar configurações elegíveis para serem montadas.

O emprego das estruturas de membrana é cada dia mais frequente em edificações de relevância civil e arquitetônica, em especial para a cobertura de grandes vãos. Sua aplicabilidade, contudo, vai além da construção civil, sendo igualmente importante nas indústrias das engenharias mecânica, naval, oceânica, aeroespacial e biomédica: aeronaves, satélites, paraquedas, airbags, velas de embarcações, moinhos de vento e até aplicações biomecânicas com tecidos humanos ou artificiais utilizam a tecnologia das estruturas de membrana. O comportamento mecânico de grande parte das membranas estruturais pode ser idealizado como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de mestrado é dar continuidade aos estudos referentes às teorias de casca geometricamente exatas desenvolvidas por [1], [2], [3] e [4], e sua generalização para o âmbito das membranas iniciada em [5]. Pretende-se contribuir, principalmente, para o desenvolvimento de equações constitutivas ortótropas consistentes para grandes deformações, apresentar uma metodologia para calibração dos parâmetros materiais destas equações constitutivas e para a análise de estabilidade com vistas ao estudo do fenômeno do enrugamento. / The use of membrane structures is becoming increasingly common in buildings of architectural and civil engineering importance, especially to cover large spans. Its applicability, however, goes beyond the construction industry being equally important in the industries of mechanical, naval, ocean, aerospace and biomedical engineering: aircraft, satellites, parachutes, airbags, sails of boats, windmills and even biomechanical applications with human and artificial tissues use the technology of membrane structures. The mechanical behavior of most structural membranes can be idealized as an isotropic thin shell reinforced by an orthotropic membrane. The objective of this work is to continue the studies on the geometrically exact shell theories developed by [1], [2] , [3] and [4] and its generalization to the scope of the membranes initially studied by [5]. It aims intended to contribute mainly to the development of consistent orthotropic constitutive equations for large deformations, to present a methodology for the calibration of the material parameters in those constitutive relations and for the stability analysis in order to study the phenomenon of wrinkling.

Este trabalho utiliza uma teoria não linear tridimensional de barras de [1], que considera o empenamento da seção transversal como uma das variáveis do problema, para a análise de perfis de aço por meio do Método dos Elementos Finitos. A equação constitutiva apresentada em [2] é aqui expressa de forma completa, com os termos de ordem cúbica e superiores antes desprezados. A influência da inclusão desses termos sobre a estabilidade da barra pode assim ser estudada com maior profundidade. O modelo constitutivo obtido foi implementado em um programa computacional de elementos finitos, e diversos exemplos numéricos são apresentados para validar a teoria aqui desenvolvida. Foi possível obter a instabilidade por flexo-torção com a equação constitutiva completa aqui desenvolvida, onde antes não era possível em [2]. Melhorando o modelo constitutivo. / This work presents a nonlinear tridimensional beam theory of [1], which encompasses cross-sectional warping as one of the model variables, and its application to the analysis of steel profiles with the Finite Element Method. The constitutive equation presented in [2] is fully developed, including the third and higher order terms neglected therein. The influence of the inclusion of such terms on the beam stability could then be studied more deeply. The obtained constitutive model was implemented in a computational Finite Element program and several numerical examples are presented to validate the theory here developed. The complete constitutive equation made possible to determine instability in composite flexural torsional states, a clear contribution to the model developed in [2].