O presente trabalho trata da análise numérica de cascas abatidas com o uso do método dos elementos de contorno (MEC). A formulação é desenvolvida a partir do acoplamento entre as equações integrais para flexão de placas delgadas e para estado plano de tensão. No esquema implementado, os termos sobre o contorno são avaliados a partir de processos analíticos e numéricos de integração. No caso das integrais de domínio, aplica-se um procedimento semi-analítico de cálculo sobre células discretas. A validação do modelo computacional desenvolvido é feita com base em resultados da literatura, obtidos com uso do método dos elementos finitos e dos elementos de contorno, além de soluções analíticas. / The present work deals with the numerical analysis of shallow shells using boundary element method (BEM). The formulation is developed by coupling integral equations of plate bending and plane stress elasticity. In the implemented scheme, the boundary terms are evaluated with analytical and numerical processes of integration. In the case of domain integrals, a semi-analytical calculation procedure is applied on discrete cells. The validation of developed computational model is made with results from other works, obtained by use of BEM or finite element method, besides analytical solutions.

Este trabalho tem como objetivo principal apresentar formulações do método dos elementos de contorno que contemplem as análises de placas considerando-se as não-linearidades física e geométrica e de placas enrijecidas considerando-se o comportamento não-linear físico do material. As equações integrais utilizadas são baseadas na teoria de Kirchhoff para flexão de placas delgadas, sendo o efeito não-linear geométrico modelado a partir da teoria de Von Kármán. Os efeitos não-lineares físicos são introduzidos no sistema a partir da consideração de um campo de tensões iniciais, com a avaliação das regiões plastificadas realizada a partir do critério elastoplástico de von Mises com encruamento isótropo linear e particularizado para o estado plano de tensão. A formulação dos enrijecedores é efetuada de forma alternativa, com o painel enrijecido considerado como um todo e submetido a campos de momentos e forças normais iniciais para induzir o ganho de rigidez. Apenas a parcela de enrijecimento na direção longitudinal do enrijecedor é considerada. O sistema de equações algébricas é obtido a partir da discretização estrutural com elementos de contorno isoparamétricos lineares. Para a consideração dos efeitos de domínio da placa são utilizadas células triangulares com funções de aproximação linear. Já as integrais no domínio dos enrijecedores são transformadas em integrais no contorno dos mesmos, com as variáveis escritas apenas no seu eixo longitudinal. Toda a solução do sistema não-linear de equações é obtida a partir de uma formulação implícita, sendo os operadores tangentes consistentes explicitados ao longo do trabalho. Por fim, vários exemplos são apresentados de forma a validar o correto desenvolvimento das formulações propostas. / In this work a boundary element method formulation to analyse plates with combined geometrical and material nonlinearities was presented. Additionally an alternative boundary element method formulation was presented to analyse material nonlinear reinforced plates. The boundary integral equations are derived based on Kirchhoff\'s theory. An initial stress field and von Kármán hypothesis are considered to take into account the material and geometrical nonlinearities, respectively. The elastoplastic von Mises criterion with linear isotropic hardening and particularized to the plane stress condition is considered to evaluate the plastic zone. The effects of the reinforcements are taken into account by using a simplified scheme based on applying an initial stress field to correct locally the bending and stretching stiffness of the reinforcement regions. Only bending and stretching rigidities in the direction of the reinforcements are considered. Isoparametric linear elements are used to approximate the boundary unknown values and triangular internal cells with linear shape functions are used to evaluate the plate domain value influences. The domain integrals due to the presence of the reinforcements are transformed to the reinforcement/plate interface. The nonlinear system of equations is solved by using an implicit scheme together with the consistent tangent operator presented along this paper. Finally, several examples are presented to confirm the correct development of the proposed formulations.

Este texto trata do Método dos Elementos de Contorno Dual empregando a solução fundamental anisotrópica. As integrais impróprias que surgem nesta formulação são regularizadas pela técnica da subtração de singularidade. Aplica-se a transformação de coordenadas auto-adaptativa de Telles para a avaliação das integrais quase-singulares. Apresenta-se o programa computacional desenvolvido utilizando os paradigmas da programação orientada a objetos e processamento em paralelo. Foram analisados diversos problemas e os resultados obtidos comparados àqueles da solução analítica. Os resultados alcançados mostraram-se satisfatórios validando a formulação proposta. / This text deals with the Dual Boundary Element Formulation Method using the fundamental solution for anisotropic body. The improper integrals that arise in this formulation are regularized using the singularity subtraction technique. The self-adaptive coordinate transformation developed by Telles is used to evaluate the near-singular integrals. The computer program developed using the paradigms of object-oriented programming and parallel processing is presented. Several problems were analyzed and its results compared with those proposed by analytical solution. The results achieved were satisfactory therefore validating the proposed formulation.

O presente trabalho apresenta uma formulação misto do MEC (Método dos Elementos de Contorno) e o MEF (Método dos Elementos Finitos). Nessa formulação, as estacas são modeladas através do MEF como elementos de barra e o solo através do MEC, como um meio contínuo, elástico linear, isótropo e homogêneo, utilizando as soluções fundamentais de MINDLIN (1936). Os sistemas de equações do solo e das estacas para elementos verticais são apresentados como uma combinação de ambos, originando um único sistema final de equações. Apresentam-se também as modificações necessárias para um sistema composto por estacas inclinadas. Após a resolução do sistema final, obtém-se os deslocamentos e as tensões de contato solo-estaca. A seguir, apresentam-se alguns exemplos numéricos obtidos a partir da formulação proposta e compara-se com modelos de outros autores. / This work presents a hybrid formulation of BEM (Boundary Elements Method) and FEM (Finite Elements Method). In that formulation, the piles are modeled through FEM as bar elements and the soil through BEM, as an isotropic, homogeneous, semi-infinite and linear-elastic continuum, using the fundamental solutions of MINDLIN (1936). The systems of equations of the soil and of the piles for vertical elements are presented as a combination of both, originating a single final system of equations. Some modifications are accomplished for the system of inclinated piles. After the resolution of the final system, the displacements and the contact tensions between soil and pile are obtained. Numeric examples are obtained starting from the proposed formulation and to proceed they are compared with other authors\' models.

Este trabalho apresenta o estudo de uma formulação do método dos elementos de contorno para a análise da interação placa-viga de pavimentos de edifícios. Para compatibilizar adequadamente as vigas e a placa, é utilizada uma formulação alternativa do método dos elementos de contorno para placas delgadas em que, a viga é modelada por equações diferenciais ordinárias e, a compatibilidade entre a placa e a viga é feita por meio dos deslocamentos e forças de ligação nos nós dos elementos. Após a imposição das condições de contorno e resolução final do sistema de equações, são obtidos os esforços nas vigas e deslocamentos na placa, que por fim são confrontados com outras formulações. Exemplos foram analisados demonstrando uma ótima concordância com os exemplos obtidos por outras formulações. / This work presents a formulation of the boundary element method for the analysis of plate-beam interaction in buildings floors. In order to properly match the beams and plate is used an alternative formulation of the boundary element method for thin plates, in which the beam is modeled by ordinary differential equations and the compatibility between plate and beam is done by the displacements and forces of connection in the nodes of the elements. After applying boundary conditions and final resolution of the system of equations, efforts are obtained in beams and plate displacements, that are confronted with other formulations. Samples were analyzed showing excellent results compared with those obtained by other formulations.

Em engenharia, modelos podem ser entendidos como representações das características principais de um objeto, criadas com o propósito ele permitir a visualização e compreensão da estrutura e do comportamento do objeto, antes de sua construção. A estrutura de um objeto de engenharia pode ser definida por um modelo geométrico que descreve, exata ou aproximadamente, suas formas e dimensões materiais. O comportamento pode ser descrito por um conjunto de equações diferenciais de um modelo matemático que nos permite prever, sob certas condições, os efeitos de ações externas sobre o objeto. A solução do modelo matemático pode ser obtida pela análise computacional numérica de um modelo mecânico do objeto, através do método dos elementos finitos e/ou método dos elementos de contorno. Nesse trabalho, apresentamos um Sistema de Modelagem Estrutural Orientado a Objetos denominado OSW - Object Structural Workbench, destinado ao desenvolvimento de programas de análise e visualização de modelos em engenharia de estruturas. Na primeira parte do texto, introduzimos os fundamentos utilizados no desenvolvimento do sistema. Na segunda parte, descrevemos como empregar as bibliotecas de classes de OSW na construção de um programa de modelagem e apresentamos a alguns resultados obtidos com o sistema. / In engineering, models may be thought as representations for the main characteristics of an object. Such representations enable us to visualize and understand the object structure and behaviour before constructing the object itself. The engineering ohject structure can be defined by a qeometric model which faith ful or approximately describes the object shape and size. The object behaviour can be ruled by a differential equations set from a mathematical model, which enables us to predict the effects of external forces acting on the object. The solution for the mathematical model can be obtained by applying the method of finite elements or method of boundary elements to an object mechanical model. In the text, we present an Object Oriented Structural Modeling System called OSW - Object Structural Workbench. The system has been designed to aid the development of computer programs for analysis and visualization of structural models. The text has been designed to aid the development of computer programs for analysis and visualization of structural models. The text has been divided into two parts. At the first one, we introduce the mathematical and computational basis employed in OSW construction. At the second one, we describe how to use the OSW class libraries to develop our own structural modeling applications, and also we present some results from OSW.

Neste trabalho, uma abordagem micromecânica com aproximação da geometria dada por funções de Bézier triangulares com continuidade geométrica G1 é inserida ao Método dos Elementos de Contorno, o qual é aplicado em problemas da elastostática tridimensional. Para consideração do efeito microestrutural, foi utilizado a teoria gradiente elástica simplificada de Aifantis, a qual é uma particularização da teoria geral de Mindlin. Nesta teoria, um argumento variacional é estabelecido para determinar todas as possíveis condições de contorno, clássica e não-clássica, para o problema de valor de contorno geral. A partir deste argumento, a solução fundamental da elasticidade gradiente é explicitada e com o auxílio da identidade integral recíproca é construído a representação integral de contorno. Para tornar o problema de valor de contorno bem-posto, em adição à representação integral de contorno para deslocamento, uma segunda representação integral para derivada normal do deslocamento foi utilizada. Expressões integrais para deslocamento e tensão em pontos internos são apresentadas. Todos os núcleos das equações integrais são explicitamente desenvolvidos. Para a discretização do MEC foram utilizados elementos triangulares curvos, aproximados tanto para a geometria quanto para os parâmetros físicos por funções de Proriol (com características espectrais) e por funções aqui chamadas de Polinomiais, onde esta última é construída a partir de uma base nodal equidistante e pela imposição da partição da unidade. Entretanto estas funções aproximadoras garantem apenas continuidade C0 entre os elementos triangulares, ou seja, a garantia da continuidade do plano tangente não necessariamente é satisfeita. Com o objetivo de anular o termo de integral de linha presente na formulação microestrutural, a hipótese de superfície suave se faz necessária e assim funções de Bézier com continuidade geométrica G1, a qual depende apenas da posição e das normais dos nós nos vértices da malha triangular é utilizada. Para auxiliar na obtenção das coordenadas e das normais nodais para geometrias complexas foi utilizado o software de computação gráfica BlenderTM 2.7, o qual foi acoplado ao programa do MEC elastostático gradiente. Na sequência foi verificada, por meio de exemplos, a suavidade na intersecção entre os elementos triangulares G1 e estes foram comparados com as aproximações de Proriol e Polinomial. Em seguida, as singularidades presentes nas soluções fundamentais foram tratadas através da expansão em série de Laurent aplicada à técnica de subtração de singularidade. Condições necessárias e suficientes para a convergência das expansões em série das soluções fundamentais, estimador do erro para estas expansões, assim como, a correlação matemática entre o tamanho da malha e o parâmetro micromecânico g foram estabelecidos. Expressões explicitas da série de Laurent dos núcleos das integrais singulares e hipersingulares do MEC clássico e não clássico foram apresentadas. A verificação do tratamento da singularidade aplicado a elementos triangulares curvos foi realizada, tanto na direção radial quanto na direção angular. E pôde ser observado que ocorre uma perda de eficiência no tratamento da singularidade na direção angular, devida a presença do efeito de camada limite para elementos curvos distorcidos. Entretanto, este efeito de quase singularidade pode ser amenizado por meio da abordagem micromecânica, uma vez que foi observado menor presença do efeito da camada limite à medida que o parâmetro g é diminuído. Por último, foi desenvolvido um programa na linguagem FORTRAN 11.0, o qual contempla as abordagens clássica e micromecânica com continuidade geométrica G1. Sua validação foi feita por meio de exemplos considerados Benchmarks. / In this work, a micromechanical approach with approximation of geometry solved by Bézier triangular functions that guaranty continuity G1 is inserted to the Boundary element Method (BEM). This formulation is applied in three-dimensional elastostatic problems. The simplified elastic gradient theory proposed by Aifantis, which is a particularization of the general theory of Mindlin is used to consider the microstructural effect. In this theory a variational argument is established to determine all possible boundary conditions, classical and non-classical, for the general boundary value problem. From this argument, the fundamental solution of the gradient elasticity is explicited and by the reciprocal integral identity the boundary integral representation is achieved. In addition to the boundary integral representation for dispacement, a second integral representation regarding its normal derivative is used to make the well-posed boundary value problem. Integral expressions for displacement and stress on internal points are also presented. All kernels in the integral equations are explicitly developed. Curved triangular elements are used for the discretization of the BEM. The approximation of both the geometry and physical parameters is performed by Proriol functions (with spectral characteristics) and by Polynomial functions. The last is built from an equidistant nodal basis enforcing the partition of unity. However these approximating functions ensure only C0 continuity between the triangular elements, that is, the tangent plane continuity assurance is not necessarily satisfied. In order to cancel line integral terms in the microstructural approach, the hypothesis of smooth surface is required and thus Bézier function with geometric continuity G1, which depends only on the position and the normal of the nodes at the vertices of the triangular mesh is used. In this study the computer graphics software called BlenderTM 2.7 is used to assist in obtaining coordinates and normal vectors at nodes when complex geometries are analyzed. BlenderTM 2.7 is coupled to the gradient elastic BEM program. The smoothness of the resulting mesh using G1 elements is compared to Proriol and Polynomial approximations by means of simple examples. The singularities present in the fundamental solutions are treated by employing the expansion in Laurent series and the singularity subtraction technique. Necessary and sufficient conditions for the convergence of expansions in series of fundamental solutions, error estimator for these expansions, as well as the mathematical correlation between the size of the mesh and the micromechanical parameter, g, are established. Explicit expressions of Laurent series of the classical and micromechanical kernels forthe singular and hipersingular BEM integrals are presented. Treatment of singularity, both in the radial direction and in the angular direction, applied to curved triangular elements is verified. It can be observed that there is a loss of efficiency in the treatment of singularity in the angular direction, due to the presence of the boundary layer effect for distorted curved boundary elements. However, this nearly singularity effect could be alleviated by micromechanics approach, since minor boundary layer effect was observed as the parameter g is decreased. Finally, using FORTRAN 11.0 language, a computational code is developed, which includes the classic and micromechanics approach with geometric continuity G1, and its results are validated by means of Benchmark examples.

O objetivo central deste trabalho é o estudo da interação do solo com a estrutura. Para tanto, são introduzidos mais recursos na ferramenta numérica desenvolvida no trabalho de Almeida (2003a). O solo é modelado pelo método dos elementos de contorno (MEC) tridimensional, aplicando a solução fundamental de Kelvin. É possível analisar problemas nos quais o solo é composto por camadas de diferentes características físicas, apoiadas em uma superfície de deslocamento nulo e enrijecidas por elementos de fundação, também modelados pelo MEC tridimensional. A superestrutura tridimensional, diferentemente do modelo utilizado em Almeida (2003a), é simulada pelo método dos elementos finitos (MEF), sendo composta por elementos planos e reticulares com seis graus de liberdade por nó. Também é introduzido no programa o recurso de simular um número qualquer de blocos, modelados pelo MEC tridimensional, apoiados sobre o solo. Estes blocos podem ser utilizados como elementos de fundação para o edifício, permitindo estudar a interação do solo em conjunto com os blocos e o edifício. São analisados alguns exemplos, nos quais é validada a formulação empregada e é demonstrada a necessidade de se considerar a interação do solo com a estrutura em problemas práticos de engenharia / The main objective of this work is to study the soil structure interaction problem. For such, more resources in the numerical tool developed in Almeida (2003a) are introduced. The soil is simulated by the three-dimensional boundary element method (BEM), applying Kelvin’s fundamental solution. It is possible to analyze problems in which the soil is composed by layers of different physical characteristics, supported by a rigid and adhesive interface and reinforced by foundation elements, also simulated by the three-dimensional BEM. The three-dimensional superstructure is simulated using the finite element method (FEM), with shell and frame elements with six degrees of freedom by node. This model is different of the one used in Almeida (2003a). It is also introduced in the program the resource to consider blocks, simulated by the three-dimensional BEM and supported by the soil. These blocks can be used as foundation elements for the building, coupling the non-homogeneous soil-foundation-blocks-superstructure system as a whole. Some examples are analyzed, in order to validate the theory employed and demonstrate the necessity of considering the soil structure interaction in practical problems of engineering

O principal objetivo deste trabalho é estudar as singularidades e hipersingularidades existentes nas formulações: singular - clássica - e hipersingular no Método dos Elementos de Contorno (MEC). Também é proposto um esquema residual h-adaptativo para a solução numérica do problema físico governado pela equação de Laplace. Usa-se malha poligonal, juntamente, com funções de interpolação - distribuição - de forma, dos tipos: constantes e lineares. Para controlar o erro a posteriori, é considerado o valor do resíduo, fora dos pontos de colocação. Também é testada uma técnica de quadratura numérica chamada adaptativa, específica para subelementos, no sentido de verificar se a precisão no cálculo das integrais com singularidades é melhorada. O uso de funções hierárquicas é discutido na forma de um algoritmo para atualização da matriz principal do sistema linear. / The main purpose of this work is to study the existing singularities and hypersingularities in the Boundary Element Method (BEM) with singular - classical - and hypersingular formulations. Also, an h-adaptive residual scheme for the numerical solution of the physical problem, driven by Laplace equation, is proposed. Boundary polygonal mesh, with constant and linear interpolation - distribution - shape functions together are used. To control the a posteriori error, is considered the residue value outside the collocation points. Also, a sub-element specific adaptive numerical quadrature technique, in an effort to verify if the precision when dealing with integrals possessing singularities is increased, is tested. The use of hierarchical functions is discussed, as an algorithm to update the linear system main matrix.

Como ponto de partida para a formulação da teoria termodinamicamente consistente da fratura, parte-se das cinco equações globais do balanço termomecânico (massa, momentum linear, momentum angular, energia e entropia), aplicadas ao caso de um sólido dentro do qual superfícies internas regulares podem evoluir, continuamente, com o processo de deformação, simulando fissuras. Faz-se a passagem das equações globais às correspondentes equações locais de balanço, inclusive nos pontos das superfícies de avanço das fissuras, e chega-se ao critério termodinâmico geral de fratura. Fazendo-se uso da noção de energia livre de Helmholtz, particulariza-se o critério para o caso isotérmico. Na seqüência, contando-se com o auxílio da Análise de Sensibilidade à variação de forma, da Otimização Estrutural, aplicada ao caso da fratura, obtém-se o parâmetro termodinâmico de fratura, válido para uma parte arbitrária do sólido contendo uma fissura. Assim, o problema fica reduzido à obtenção do valor de uma integral sobre a fronteira da parte do sólido considerada. O Método dos Elementos de Contorno é utilizado para a obtenção de resultados aproximados desse parâmetro, que é alternativo à integral J de Rice. Conclui-se, com uma proposta de experimento de laboratório, acoplado a um experimento numérico, para o caso de um problema bidimensional. A partir da comparação entre resultados do experimento de laboratório e do correspondente experimento numérico, sugere-se que será possível a calibração de parâmetros associados ao comportamento não linear do material nas proximidades da extremidade de uma fissura. / The construction of a thermodynamically consistent theory of fracture, is here proposed assuming that the five global equations of the thermomechanical balance (mass, linear momentum, angular momentum, energy and entropy), of Continuum Mechanics, are valid in the case of a solid containing flaws, simulating initial cracks. Considering the possibility of crack advances, the passage from global equations to local ones conducted to local balance, also for points taken over the crack advancing surfaces. As consequence, a general thermodynamic fracture criterion is obtained. Then, using the concept of Helmholtz Free Energy, this fracture criterion is particularised to the isothermal case. The Shape Sensitivity Analysis, used as a tool of Fracture Mechanics, conducted to a fracture thermodynamic parameter Gt, whose physical meaning is analogous to the Griffith\'s energy release rate (or the Rice\'s J integral) but that parameter is based on the strain energy instead potential total energy. The Boundary Element Method is used in the construction of a strategy of coupling numerical and experimental tests, viewing the construction of a particular fracture criterion, valid to plane problems. In conclusion, one proposes that this numerical and experimental coupling be adopted for calibration of non-linear models of material behaviours, valid in the neighbouring of crack\'s onset.