O uso de perfis estruturais tubulares vem aumentando em grande escala no mundo, principalmente devido às vantagens associadas ao comportamento estrutural e estético, levando a uma intensa utilização nos países da Europa, Sudeste Asiático, América do Norte e na Austrália. Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivo dessas estruturas e contam com uma produção corrente, industrializada e contínua com alto grau de desenvolvimento tecnológico. Diante deste fato, no Brasil, o uso desses perfis era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. A situação do mercado brasileiro começou a se alterar em razão da maior oferta desses perfis proporcionada pelo início da produção pela V&M do BRASIL no ano de 2000. Sendo assim, diante da novidade da tecnologia, impõe-se a necessidade de divulgação e implementação do uso desse tipo de perfil, além de uma ampliação do número de trabalhos de pesquisa para melhor compreensão de seu comportamento estrutural. O presente trabalho apresenta uma análise paramétrica de ligação reforçada tipo T, através da determinação da resistência última da ligação obtida pelo critério de deformação limite proposto por diversos pesquisadores, comparando os resultados com as prescrições do Eurocode 3, do Projeto de Norma Brasileira PN 02.125.03-004 e do CIDECT. As ligações objeto deste estudo são compostas por perfil tubular retangular (RHS) no banzo e perfis circulares (CHS) nos montantes. Nestas análises verificou-se a influência do reforço na região de encontro de banzo e montante, bem como a influência do esforços atuantes no banzo no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente dessa ligação. Os modelos em elementos finitos, foram desenvolvidos no programa Ansys 12.0. Como resultado final deste trabalho é apresentado o comportamento da ligação tipo T com reforço para diversos tipos de perfis (banzo e montante) e diferentes espessuras da chapa de reforço, fazendo comparação com o dimensionamento proposto pelo Projeto de Norma Brasileira PN 02.125.03-004. / The use of tubular structural profiles has increased in large-scale worldwide, mainly because of the technical advantages associated with the structural behavior and aesthetic, led to an intense use in Europe, Southeast Asia, North America and Australia. Countries like Canada, England, Germany and Netherlands make use these structures and have a current, industrialized and continuing production with a high level of technological development. Considering this fact, in Brazil, the use of these profiles has been quite limited, being restricted just to spatial coverage. Nonetheless situation in the Brazilian market has changed due to the supply of these profiles provided by the start of production from V&M do BRASIL in the year 2000, in front of this technological novelty, imposing the need for dissemination and implemation of the use of this type of profile, as well as an increase in the number of research papers providing a better understanding of its structural behavior. This dissertation presents a parametric analysis of reinforced T-joints by determining the joint ultimate strength obtained by the limit deformation criteria proposed by several researchers comparing the results with Eurocode 3, Brazilian Design Code Project PN 02.125.03-004 and CIDECT requirements. The joints object of this study are composed by tubular rectangular hollow section (RHS) in the chord and circular hollow section (CHS) in the braces. In these analyzes, it was verified the influence of reinforcements in the area against of the chord and brace, as well as the influence of acting efforts in the chord in the joint global behavior. The physical and geometrical nonlinearities were incorporated in the models, in order to fully mobilize the joint resistance capacity. The finite element method was developed with the Ansys 12.0 software. As final results of this dissertation, it is presented the reinforced T-joint behavior for several profile types (chord and brace) and different thicknesses reinforcement plates, in comparison to the design proposed by Brazilian Design Code Project PN 02.125.03-004

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O difundido uso de perfis estruturais tubulares, principalmente devido às vantagens associadas ao comportamento estrutural e estético, levou a uma intensa utilização nos países da Europa, Sudeste Asiático, América do Norte e na Austrália. Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivo dessas estruturas e contam com uma produção corrente, industrializada e contínua com alto grau de desenvolvimento tecnológico. O aumento da oferta deste tipo de perfis, aliado a recentes pesquisas nesta área, leva o Brasil a se inserir neste cenário mundial. Entretanto, as normas brasileiras que regem o dimensionamento destes perfis ainda não se encontram atualizadas, principalmente no que tange ao dimensionamento de ligações de perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo K e T com perfis tubulares circulares (CHS). Propõe-se estabelecer um quadro comparativo entre as formulações analíticas de dimensionamento proposta pelo Eurocode 3 Parte 1.8, 2 edição do guia de projeto de ligações tubulares do CIDECT, projeto de norma brasileira PN 02.125.03-004 e critérios de deformação limite. Para cada um dos tipos de ligações analisadas, desenvolveu-se um modelo em elementos finitos no programa Ansys, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. As não-linearidades física e geométrica foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bilinear. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado considerando-se a previsão de grandes deformações de forma a permitir a redistribuição de carregamento na ligação após o escoamento inicial. Esta dissertação propõe ainda, a modelagem de uma treliça planar constituída de perfis tubulares, objetivando estabelecer uma comparação entre um nó isolado e um nó da treliça planar. / The widespread adoption of hollow section structures, mainly due to the advantages associated with the structural and aesthetic behavior, led to an intense use in the countries of Europe, Southeast Asia, North America and Australia. Countries like Canada, England, Germany and Holland use these structures intensively and have a current industrialized production with an associated high level of technological development. Increasing the supply of such profiles, combined with recent investigations in this area, leads the Brazil to enter in this world stage. However, the Brazilian standards that governing the design of these profiles are not yet updated, especially the tubular joints design. Given this perspective, this work presents an analysis of connections such as "K" and " T" with circular hollow sections. A comparison between the analytical design formulations proposed by Eurocode 3 Part 1.8, 2nd edition of the guide design of tubular joints of the CIDECT, Brazilian standard PN 02.125.03-004 and limit deformation criteria was performed. For each of the joints types analyzed, a finite element model was developed in ANSYS program, later to be calibrated and validated with experimental and numerical results present in literature. The models physical and geometrical non-linearities have been incorporated in the model to mobilize the joint full load capacity. The material nonlinearity was considered by Von Mises criteria through stress versus strain bilinear constitutive law. The geometric non-linearity was introduced in the model by Lagrange Updated Formulation considering the expected large deformation to allow redistribution of load in the joint after the initial yielding. This work also proposes the modeling of a planar truss made of circular hollow section structures to establish a comparison between a single joint and the response of joint as a part of a full scale truss structure.

O trabalho dedica-se ao estudo das torres eólicas protendidas de concreto, com a finalidade de promover a discussão sobre os critérios de dimensionamento, tema de grande relevância na atualidade. Para tal, foi considerada uma torre eólica de 100 m de altura provida de turbina de 5 MW, cujas ações foram obtidas da literatura. O carregamento de vento ao longo da torre foi tratado como estático equivalente de acordo com disposições normativas, através de uma forma simplificada para a adoção de uma velocidade de projeto equivalente à incidente no rotor. Com base na literatura, apenas as condições mais críticas foram adotadas no dimensionamento. As combinações entre os carregamentos e os coeficientes parciais de segurança foram delineados a partir do método dos estados limites, o qual se encontra amplamente difundido em normas de projeto. Os esforços e deslocamentos na torre foram obtidos pelo método dos elementos finitos com discretização em elementos finitos unidimensionais, considerando as não linearidades física e geométrica por intermédio do acoplamento de um programa comercial de elementos finitos com algoritmo desenvolvido em linguagem MATLAB, que tanto define as diversas geometrias de cada elemento ao longo da torre (seção variável), como obtém para cada um: a armadura ativa longitudinal a partir de perdas de protensão recalculadas, o diagrama momento-curvatura-força normal, e a armadura passiva longitudinal escalonada, que é otimizada durante o processo do dimensionamento. Quanto à resistência ao esforço cortante das seções anulares, foi proposto um modelo que apresentou boa concordância com os resultados experimentais obtidos na literatura. Além dos concretos convencionais, é discutido o estado-da-arte do concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras, CUADRF, tratando sobre seu desenvolvimento histórico, composição, diferentes tipos, propriedades mecânicas, aplicações, recomendações para projeto e as simplificações adotadas quanto ao seu uso nas torres eólicas. Ao final foram realizadas análises paramétricas relativas à geometria e à classe de concreto para dois tipos de torres: em tronco de cone e de variação parabólica. Uma das principais conclusões do trabalho é que a otimização da área de aço passivo ocorre de forma sistemática para as torres de frequência natural mais baixa, tornando indispensável o uso de um modelo não linear para o correto dimensionamento. Além disso, as torres obtidas foram comparadas através do custo material total, constatando-se que as torres mais econômicas possuíam variação parabólica. Isso permitiu aferir um valor inicial para o qual o uso do CUADRF em torres eólicas passaria a ser competitivo. / The work is dedicated to the study of prestressed wind towers of concrete, in order to promote discussion on the design criteria, highly relevant topic today. For this purpose, it was considered a wind tower 100 m high provided with 5 MW turbine, whose actions were obtained from the literature. The wind loading along the tower was treated as static equivalent in accordance with design codes, through a simplified way for the adoption of a design speed equivalent to that incident on the rotor. Based on the literature, only the most critical conditions were adopted in the design. The combinations between loads and partial safety factors were outlined by the limit states method, which is widespread in design standards. The forces and displacements in the tower were obtained by the finite element method with discretization in frame elements, through material and geometric nonlinearities. This was done through coupling of a commercial finite element program with algorithm developed in MATLAB language, which defines both the various geometries of each element along the tower (variable section), and obtains for each: prestressing reinforcement from recalculated prestressing losses, the moment-curvature-normal diagram, and the stepped longitudinal passive reinforcement that is optimized during the design process. For the shear strength of the annular sections, a model that showed good agreement with the experimental results obtained in the literature was proposed. In addition to conventional concrete, the state-of-the art of ultra-high performance fiber reinforced concrete, UHPFRC, is discussed, dealing on its historical development, composition, different types, mechanical properties, applications, recommendations for design and simplifications adopted on its use in wind towers. At the end were performed parametric analyzes of the geometry and the concrete class for two types of towers: frustoconical and with parabolic variation. One of the main conclusions is that the optimization of passive steel area occurs systematically to the lower natural frequency towers, making it essential to use a nonlinear model for proper design. Moreover, the towers obtained were compared with the total material cost, having noticed that most economical towers had parabolic variation for the constraints here imposed. This allowed the assessment of an initial value for which the use of UHPFRC in wind turbine towers would be competitive.

Neste trabalho foi desenvolvido um modelo para análise tridimensional não linear geométrica de edifícios considerando a influência de todas as partes componentes do sistema estrutural, incluindo a ligação núcleo-laje e o solo de fundação. Pilares e vigas são modelados com elementos finitos de barra com seção transversal de forma qualquer, enquanto as lajes são modeladas por elementos finitos de casca. Ambos consideram o comportamento não linear geométrico e adotam como graus de liberdade posições nodais e vetores generalizados ao invés de deslocamentos e rotações, sendo também considerado para o elemento de barra o grau de liberdade de empenamento da seção. Apresenta-se uma estratégia cinemática para o acoplamento de topo entre os elementos de casca e a seção dos elementos de barra, gerando assim um elemento de núcleo com diafragma. O acoplamento se dá através de uma matriz de incidência cinemática responsável por inserir na Hessiana e no vetor de forças internas do elemento de barra que discretiza o núcleo as contribuições de elementos de casca a ele conectadas. Admite-se para os materiais do edifício a lei constitutiva elástico-linear de Saint Venant-Kirchhoff e a não linearidade geométrica é considerada através de uma formulação Lagrangiana total com cinemática exata. A flexibilidade dos apoios é considerada através de uma matriz de rigidez do sistema solo-fundação. Esta matriz é calculada em outro programa de acoplamento entre o Método dos Elementos de Contorno e o Método dos Elementos Finitos por meio de uma estratégia numérica baseada, por sua vez, no Teorema de Betti-Maxwell. A estratégia consiste na determinação de coeficientes de flexibilidade de pontos sobre uma malha discreta do sistema solo-fundação, sendo o solo modelado via Método dos Elementos de Contorno com uso da solução fundamental de Mindlin e os elementos estruturais de fundação, que podem incluir placas, sapatas, blocos e estacas, são modeladas com elementos finitos convencionais de barra e de casca. O programa permite a análise de edifícios completos, considerando a influência do empenamento dos núcleos nos pavimentos e também os efeitos da interação solo-estrutura. Exemplos numéricos são apresentados para confirmar a eficiência e demonstrar o potencial de aplicação da formulação proposta. / In this thesis a numerical model for geometric nonlinear analysis of three-dimensional structures of tall buildings was developed, considering the influence of all structural components, including the core-slab connection and the foundation system. Columns and beams are modeled by a frame finite element which can have a cross section of any shape, while the slabs are modeled by shell finite elements. Both consider the nonlinear geometric behavior and adopt nodal positions and generalized vectors as degrees of freedom instead of displacements and rotations. For the frame finite element it is also considered the cross sectional warping as a degree of freedom. A numerical strategy is presented for the coupling between the shell elements and the frame\'s cross section, thus forming a structural-core element with diaphragm. The coupling is done through a kinematic array which is responsible for inserting the contributions of shell elements, connected to the core walls, into the Hessian matrix and also into the internal force vector of the frame element used to discretize the core. The linear-elastic constitutive relation of Saint Venant-Kirchhoff is adopted for the building materials and the geometric nonlinearity is considered via a Lagrangian formulation with exact kinematics. The foundation\'s flexibility is considered through a stiffness matrix for the soil-foundation system. This matrix is computed in another program based on the numerical coupling between the Boundary Element Method and the Finite Element Method, using a numerical strategy based on the Maxwell-Betti\'s Theorem. This strategy consists in determining the flexibility coefficient of points on a discrete mesh of the soil-foundation system. The soil is modeled by the Boundary Element Method using the fundamental solution of Mindlin. The structural foundation elements, including shallow foundation, footings, blocks and piles, are modeled using conventional frame and shell finite elements. The program is applied to the analysis of complete structural systems of tall buildings, considering the influence of the core warping on the mechanical behaviour of the slabs and also the soil-structure interaction effects. Numerical examples are presented to confirm the efficiency and to demonstrate the potential application of the proposed formulation.

Atualmente, dentre os perfis de aço formados a frio (PFF) mais utilizados em sistemas estruturais correntes, merecem destaque aqueles compostos por duas cantoneiras ligadas entre si por meio de presilhas, apresentando seção na forma de \"T\". Embora tenha utilização bastante difundida, pouco se sabe sobre o comportamento estrutural deste tipo de perfil, principalmente em relação aos modos de instabilidade a ele associados. No presente trabalho, são desenvolvidos, com base em ferramentas disponibilizadas no código computacional ANSYS, modelos numéricos em elementos finitos com a finalidade de se investigar o comportamento estrutural dos referidos perfis submetidos à compressão e, com isso, contribuir para futuras revisões nas especificações da ABNT NBR 14762:2010 referentes aos PFF compostos. Por meio de análises não-lineares, foi investigada a influência de diversos fatores na resposta estrutural dos perfis, como: a forma de introdução do carregamento (compressão centrada ou excêntrica), as condições de vinculação, a esbeltez global, as imperfeições geométricas iniciais, a espessura das cantoneiras e o número de presilhas. Os resultados numéricos indicam que os valores de força normal de compressão resistente, obtidos conforme a ABNT NBR 14762:2010, podem resultar bastantes conservadores, principalmente nos casos de menor esbeltez global. Adicionalmente, a quantidade e a distribuição das presilhas se mostram bastante influentes, tanto na capacidade resistente como nos modos de instabilidade predominantes dos perfis. Por fim, o trabalho prevê uma investigação introdutória sobre os perfis dupla cantoneira sob temperaturas elevadas, a fim de se verificar, em caráter exploratório, o seu desempenho em situação de incêndio. As análises termoestruturais realizadas apresentaram como resultado tempos de resistência ao fogo bem abaixo do valor mínimo especificado pela ABNT NBR 14432:2001, apontando à necessidade do uso de revestimento térmico nesses perfis e de estudos mais aprofundados sobre o assunto. / Nowadays, among cold-formed steel members (PFF) commonly used in current structural systems, deserve to be highlighted those composed by two angles connected through intermediate fastener (stitch-fillers) forming a \"T\" section. Although its widespread use, little is known about its structural behavior, especially in what concerns instability modes. In this study, based on tools available on the ANSYS code, numerical finite element models were developed in order to investigate the structural behavior of these profiles under compression to contribute to future revisions of the ABNT NBR 14762:2010 specifications regarding PFF compounds. By using non-linear analysis, we investigated the influence of various factors in the structural response, namely, the loading introduction (compression-centric or eccentric), the boundary conditions, the global slenderness, the geometric imperfections, the angle thickness and the number stitch-fillers. The numerical results indicated that the compression resistance, obtained according to ABNT NBR 14762:2010, it is quite conservative, especially in cases of small global slenderness. Additionally, the stitch-fillers distribution proved its great influence both in the bearing capacity as in the determination of the instability modes. Finally, the study makes an introductory research on double angle profiles under high temperatures, in order to verify its performance under fire. The thermal analysis showed fire resistance results inferior to the minimum specified by ABNT NBR 14432:2001, indicating the need of using fire protection and further studies this subject.

Estruturas em concreto pré-moldado vêm sendo utilizadas com freqüência em sistemas reticulados do tipo multi-piso, destinados às mais variadas atividades como: estabelecimentos comerciais, estacionamentos, escolas, hospitais e etc. A utilização de ligações viga-pilar do tipo semi-rígida constitui uma alternativa interessante para o enrijecimento e para a garantia da estabilidade global deste tipo de estrutura. Atualmente, a rigidez e a resistência destas ligações têm sido determinadas por ensaios de modelos em escala real. Estes ensaios, além de apresentarem um custo elevado, têm aplicação restrita à ligação examinada o que torna esta metodologia limitada e não adequada à prática de elaboração de projeto. Apresenta-se, neste trabalho, um modelo mecânico para determinação numérica da relação força-deslocamento de uma ligação viga-pilar semi-rígida a partir da contribuição da rigidez individual de cada componente de transferência de força utilizado na vinculação. A formulação do equilíbrio do modelo é implementada em planilha eletrônica constituindo-se numa ferramenta de cálculo para o projetista, permitindo o estudo, de forma rápida e amigável, da influência do posicionamento e da rigidez individual de cada componente de transferência de força na rigidez e na resistência da ligação. Este modelo mecânico foi utilizado para o cálculo da rigidez à rotação para momento fletor positivo de uma ligação viga-pilar ensaiada em laboratório. Os valores para a rigidez da ligação obtidos em ensaio e pelo modelo mecânico ficaram muito próximos. Da formulação do equilíbrio do modelo mecânico pode-se extrair ainda uma matriz de rigidez que é utilizada na representação da ligação semi-rígida no modelo de barra da estrutura. Um programa computacional foi desenvolvido para a análise de pórticos planos com ligação viga-pilar semi-rígida considerando ainda as não linearidades físicas e geométricas do modelo de cálculo. O programa foi validado pela comparação de resultados de exemplos também processados no programa ANSYS. A não-linearidade geométrica é considerada pelo método modal, não incremental-iterativo, e que obtém a parcela não-linear da resposta estrutural pela combinação dos seus modos de flambagem. A não-linearidade física do concreto é considerada pelo método da rigidez secante no qual a rigidez de cada barra da estrutura é reduzida na análise conforme suas armaduras e o nível de sua solicitação. Para o cálculo da rigidez secante dos pilares desenvolveu-se um programa que permite a consideração de armaduras ativas e passivas na seção. A análise de alguns exemplos revelou que a protensão dos pilares é também uma alternativa interessante para o enrijecimento da estrutura. Além de exemplos práticos, outros temas pertinentes ao projeto deste tipo de estrutura como: estabilidade na fase construtiva, esforços finais após a montagem, efeitos dependentes do tempo, assimetria de rigidez e plastificação das ligações, são também abordados no trabalho. / Precast concrete multi-storey structures have been more frequently used to construct commercial buildings, parking, schools and hospitals. The use of semi-rigid beam-tocolumn connections is a good strategy to guarantee the global stability of this type of structure. Actually the rigidity and the strength of this type of connection are obtained in an experimental program using full scale prototypes. This procedure is not only expensive but limited and not adequate for design since the results are only valid for the examined connection. This research presents a mechanical model used to determine numerically the force-displacement relationship of a beam-to-column semirigid connection. The procedure uses the contribution of any individual force transfer component active in the connection. The equilibrium equation of the model is implemented in an electronic-worksheet where the designer can rapidly and friendly study the influence of the position and the individual rigidity of each force transfer component in the global rigidity and strength of the connection. For validation, this procedure was used to calculate the flexural rigidity for positive bending moment of a beam-to-column semi-rigid connection that was tested in laboratory. The numerical values of the connection rigidity obtained by test and by the mechanical model are very close. The matrix used in the formulation of the mechanical model equilibrium can also be used to represent the semi-rigid connection in the finite element model of the structure. A computational program was developed for plane frame analysis including semi-rigid beam-to-column connections and both physical and geometric nonlinearities. The program was tested by comparing the results of some examples that are also analysed in the ANSYS program. The geometric nonlinearity is considered by a modal method where the nonlinear response of the structure is obtained by a combination of its buckling modes. The physical nonlinearity of the concrete is considered by the secant rigidity method. In this method the rigidities of all concrete bars in the structure are reduced by coefficients that depend of the reinforcement in the cross section and the level of the efforts. A special computational program was developed to calculate the secant rigidity for a concrete cross section with reinforcing bar and prestressing steel. The analysis of some examples shows that the use of prestressing steel in collums is also an interesting alternative to sttifen the structure. Beyond of some practical examples, others themes related to the design of this type of structure like: stability in the erection process, efforts in the end of the erection process, time-dependent effects, non symmetrical and plastic behavior of the connections, are also treated in this work.

O objetivo central deste trabalho é implementar modelos constitutivos hiperelásticos não lineares em um código computacional que faz análise não linear geométrica de cascas. São necessários, para este propósito, conceitos sobre álgebras linear e tensorial, cinemática, deformação, tensão, balanços, princípios variacionais, métodos numéricos e hiperelasticidade. Tal programa usa a formulação Lagrangiana posicional, o método dos elementos finitos, o princípio dos trabalhos virtuais e o método iterativo de Newton-Raphson para solução das equações não lineares. O elemento finito de casca possui dez nós, sete parâmetros por nó e variação linear da deformação ao longo da espessura. Para dedução dos novos modelos usou-se a decomposição multiplicativa do gradiente da função mudança de configuração, o tensor deformação de Green-Lagrange e o tensor da tensão de Piola-Kirchhoff de segunda espécie. O código desenvolvido foi usado em simulações de diversos exemplos e apresentou boa precisão na análise mecânica de polímeros naturais altamente deformáveis. A ocorrência do fenômeno travamento não se manifestou nas análises realizadas. A presente pesquisa confirmou outros trabalhos, reforçou a necessidade de se usar modelos hiperelásticos não lineares para simular o comportamento mecânico de polímeros naturais e apresentou resultados condizentes com dados experimentais existentes na literatura científica e às respectivas soluções analíticas. / The main objective of this work is to implement nonlinear hyperelastic constitutive models in a computational code of geometrically nonlinear analysis of shells. For this purpose, concepts of linear and tensor algebras, kinematics, strain, stress, balances, variational principles, numerical methods and hyperelasticity are necessary. Such program uses the positional Lagrangian formulation, the finite element method, the principle of virtual work and the iterative method of Newton-Raphson for the solution of the nonlinear equations. The shell finite element has ten nodes, seven parameters per node and presents linear variation of the strain along the thickness. To achieve the new constitutive models the multiplicative decomposition of the deformation gradient, the Green-Lagrange strain tensor and the second Piola-Kirchhoff stress tensor are used. The developed code is tested for simulations of various examples and presents good accuracy in the mechanical analysis of highly deformable natural rubber. The locking phenomena didn\'t appear in the proposed analysis. The present research confirms other works, corroborates the need of using nonlinear hyperelastic models to simulate the mechanical behavior of natural rubber and presents suitable results when compared to existent experimental data of the scientific literature and to the respective analytical solutions.

Neste estudo se propõe o desenvolvimento de um modelo numérico para a ligação deslizante entre elementos sólidos bidimensionais, aplicável à simulação de sistemas deslizantes de isolação de base para estruturas. A formulação implementada é baseada no Método dos Elementos Finitos Posicional (MEFP) para análise dinâmica não linear geométrica de estruturas escrita na forma Lagrangeana total. Elementos triangulares planos e isoparamétricos de aproximação cúbica com matriz de massa completa são utilizados principalmente na elaboração da parte sólida dos dispositivos de ligação entre estruturas reticuladas e a base móvel. Esses elementos também poderm ser utilizados na modelagem da estrutura em si, porém, para esse fim, elementos finitos isoparamétricos de barra geral com massa distribuída por unidade de comprimento foram implementados. As equações de movimento são integradas no tempo aplicando o método de Newmark e o problema de deslizamento é resolvido com o algoritmo baseado na técnica dos multiplicadores de Lagrange, onde a restrição das posições de um nó escravo é feita em relação a uma sequência de superfícies mestres. Elementos de barra geral foram usados para simular as superfícies mestres de contato, o que aumenta as possibilidades de aplicações, incluindo mecanismos compostos apenas por barras gerais. Analisam-se exemplos disponíveis na literatura para a validação da formulação proposta e propõem-se aplicações diversas na engenharia das estruturas. / This study proposes the development of a numerical model for the sliding joint between two-dimensional solid elements, applicable to the simulation of sliding base isolation systems. The implemented formulation is based on the Positional Finite Element Method (PFEM) for geometrical nonlinear dynamic analysis of structures written in the total Lagrangian form. Plane and isoparametric triangular cubic approximation elements with full mass matrix are mainly used in the elaboration of the solid part of the devices of joints between reticulated structures and mobile base. These elements can also be used in the modeling of the structure itself, however, for that purpose, isoparametric elements of general bar with mass distributed per unit of length were implemented. The motion equations are integrated in time by applying the Newmark method and the sliding problem is solved with the algorithm based on the technique of Lagrange multipliers, where the constraint of the positions of a slave node is made in relation to a sequence of master surfaces. General bar elements were used to simulate the master contact surface, which increases the possibilities of applications, including mechanisms composed only of general bars. Analyze examples available in the literature for the validation of the proposed formulation and proposed diverse applications in the engineering of the structures.

A interação entre fluidos e estruturas caracteriza um problema multi-físico não linear e está presente numa grande variedade de áreas da engenharia. Este trabalho apresenta o desenvolvi mento de ferramentas computacionais com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) para a análise de interação fluido-estrutura (IFE) considerando escoamentos com baixas velocidades. Dada a interdisciplinaridade do tema, se faz necessário o estudo em três diferentes assuntos: a dinâmica das estruturas computacional, a dinâmica dos fluidos computacional, e o problema de acoplamento. No caso da dinâmica das estruturas empregar-se um elemento finito que seja adequado para a simulação de problemas de IFE, que claramente demandam uma análise não linear geométrica, optando-se pelo emprego de uma formulação descrita em posições, a qual evita problemas relativos à aproximação de rotações finitas. Quanto à dinâmica dos fluidos computacional, é empregado um método estável e ao mesmo tempo sensível à movimentação da estrutura, utilizando a descrição Lagrangeana-Euleriana Arbitrária (ALE). Os casos considerados neste trabalho, assim como muitos dos problemas de engenharia, ocorrem com escoamentos em baixas velocidades, implicando na incompressibilidade do fluido, o que demanda, para um método estável, a utilização de elementos que atendam à condição de Ladyzhenskaya-Babuska-Brezzi (LBB). Além disso, é necessário também o emprego de métodos que consigam neutralizar as variações espúrias decorrentes da não-linearidade de possíveis escoamentos com convecção dominante e que surgem com a aplicação do processo clássico de Galerkin. Para superar esse problema, é aplicado o método Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin (SUPG), que adiciona difusividade artificial na direção do escoamento, controlando a amplitude dos termos convectivos. No que se refere ao acoplamento fluido-casca, buscam-se modularidade e versatilidade adotando-se o modelo particionado. O modelo de acoplamento implementado garante ainda a utilização de malhas do fluido e da estrutura sem a necessidade de coincidência de nós. / Interaction between fluids and structures characterizes a nonlinear multi-physics problem presente in a wide range of engineering fields. This works presets the development of computational tools based on finite element method (FEM) for fluid-structure interaction (FSI) analysis considering low speed flows (incompressible), as a great part of the engineering problems. Given the topic multidisciplinary nature, it is necessary to study three different subjects: the computational structural dynamics, the computational fluid mechanics and the coupling problem. Regarding structural mechanics, we seek to employ a finite element adequate to FSI simulation, what clearly demands a geometric nonlinear analysis. We chose to employ shell elements with formulation in terms of positions, which avoids problems related to finite rotations approximations. Concerning computational fluid dynamics, we employ a stable method, at same time sensible o structural movements, which is written in the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description. The flow incompressibility demands, for a stable method, the use of elements according to the Ladyzhenskaya-Bbuska-Brezzi (LBB) condition. It is also necessary to employ methods able to neutralize the spurious variations that appears from convection dominated flows when applying the standard Galerking method. In order to overcome this problem, we apply the Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin (SUPG) method, which adds artificial diffusivity to the streamline direction, controlling spurious variations. Considering the fluid-shell coupling, we seek modularity and versatility, adopting the partitioned model. The developed coupling model ensure the use of fluid and structure meshes with no need for matching nodes.

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No. of bitstreams: 2 Dissertação - Augusta Finotti Brazão - 2014.pdf: 4325407 bytes, checksum: ed015d93a79ebdcbed577af5e0f9a797 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2014-04-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The present study aims to investigate the influence of uncertainties in physical and geometric parameters to obtain the load parametric instability of cylindrical shell, using the Galerkin method with the stochastic polynomial Hermite-Caos. The nonlinear equations of motion of the cylindrical shell are deduced from their functional power considering the strain field proposed by Donnell´s nonlinear shallow shell theory. The uncertainties are considered as random parameters with probability density function known in the partial differential equation of motion of the cylindrical shell, which it becomes a stochastic partial differential equation due to the presence of randomness. First, the discretization of the stochastic problem is performed using the stochastic Galerkin method together with polynomial Hermite-Chaos, to transform the stochastic partial differential equation into a set of equivalent deterministic partial differential equations, which take into account the randomness of the system. Then, the discretization of the lateral field displacement is made by a perturbation procedure, indicating the nonlinear vibration modes which couple to the linear vibration mode. The set of partial differential equations is transformed into a deterministic system of equations deterministic ordinary second order in time. Uncertainty is considered in one of its parameters: the Young modulus, thickness and amplitude of initial geometric imperfection. Then we analyze the influence of randomness in two parameters simultaneously: the thickness and the Young modulus. Once obtained the system of ordinary differential equations deterministic containing the randomness of the parameters, the integration over discrete time system is made from the Runge- Kutta fourth order to obtain results as the time response, bifurcation diagrams and boundaries of instability which are compared with deterministic analysis, indicating that polynomial Hermite-Chaos is a good numerical tool for predicting the load parametric instability without the need to perform a process of sampling. / O presente trabalho tem como objetivo investigar a influência de incertezas nos parâmetros físicos e geométricos para a determinação da carga de instabilidade paramétrica da casca cilíndrica, utilizando o método de Galerkin Estocástico juntamente com o polinômio de Hermite-Caos. As equações não-lineares de movimento da casca cilíndrica são deduzidas a partir de seus funcionais de energia considerando o campo de deformações proposto pela teoria não linear de Donnell para cascas esbeltas. As incertezas são consideradas como parâmetros aleatórios com função de densidade de probabilidade conhecida na equação diferencial parcial de movimento da casca cilíndrica, que passa a ser uma equação diferencial parcial estocástica devido à presença da aleatoriedade. Primeiramente, faz-se a discretização do problema estocástico utilizando o método de Galerkin Estocástico juntamente com o polinômio de Hermite-Caos, para transformar a equação diferencial parcial estocástica em um conjunto de equações diferenciais parciais determinísticas equivalentes, que levem em consideração a aleatoriedade do sistema. Em seguida, apresenta-se a discretização do campo de deslocamentos laterais através do Método da Perturbação, indicando os modos não-lineares de vibração que se acoplam ao modo linear de vibração, para que o conjunto de equações diferenciais parciais determinísticas seja transformado em um sistema de equações ordinárias determinísticas de segunda ordem no tempo. A incerteza é considerada inicialmente em apenas um de seus parâmetros: no módulo de elasticidade, na espessura e na amplitude da imperfeição geométrica inicial. Em seguida, analisa-se a influência de aleatoriedades em dois parâmetros simultaneamente, sendo eles: a espessura e o módulo de elasticidade. Uma vez obtido o sistema de equações diferenciais ordinárias determinísticas que contêm as aleatoriedades dos parâmetros, a integração ao longo do tempo do sistema discretizado é feita a partir do método de Runge-Kutta de quarta ordem, obtendo-se resultados como resposta no tempo, diagramas de bifurcação e fronteiras de instabilidade, que são comparados com análises determinísticas, indicando que o polinômio de Hermite-Caos é uma boa ferramenta numérica para prever a carga de instabilidade paramétrica sem a necessidade de se realizar um processo de amostragens.