A tremonha é a principal responsável pelo êxito de funcionamento dos silos. Ela desempenha importantes funções nas descargas e nos controles de fluxos dos produtos armazenados. Neste trabalho, estuda-se o comportamento estrutural de tremonhas piramidais de aço através de procedimentos analíticos, numéricos e experimentais. Os ensaios foram realizados em laboratório utilizando-se modelos em escala real para tremonhas não-enrijecidas e enrijecidas. Estes sistemas estruturais estão sujeitos a estados combinados de tensões biaxiais para as chapas e uni-axiais para os enrijecedores. Os resultados demonstraram que as tremonhas não-enrijecidas são viáveis apenas para silos baixos com pequenas relações altura/lado (cargas não muito elevadas). Os métodos analíticos utilizados na prática para o dimensionamento das mesmas são muito conservadores e recomenda-se a utilização de métodos numéricos. Verificou-se que as tremonhas enrijecidas podem proporcionar relativa economia em peso de chapas. Métodos analíticos ou numéricos pela «teoria dos pequenos deslocamentos\" demonstraram ser muito conservadores nos dimensionamentos das chapas. Para este tipo de tremonha, devido à baixa rigidez à flexão das chapas finas. deve-se supor que estas trabalhem, primordialmente, pelo efeito-membrana. Assim, para dimensionamentos mais racionais, propõe-se a utilização do \"método dos grandes deslocamentos\" aplicado às placas. A teoria analítica para o dimensionamento dos enrijecedores proporcionou valores satisfatórios para as seções transversais. De acordo com os ensaios, a princípio, os enrijecedores prescindem de maior rigidez à torção. / The hopper is considered like the main responsible element by the operation of the silos. It fulfills important functions on the discharge and on the flows control of stored products. In this work, the structural behaviour of steel pyramidal hoppers has been studied through of analytical, munerical, and experimental procedures. The essays were realized in laboratory and they had used full-scale models to stiffened and nonstiffened hoppers. These structural systems are subjected to combined states of biaxial stresses to the plates and unixial ones to the stiffeners. The results has showed that the nonstiffened hoppers are viable only to lower silos that present the small relationships height/side (loads aren\'t very higher). The analytical methods that had been used commonly to the design of the both hoppers are considered like very conservative and it has been recommended the use of numerical methods. lt has been showed that the stiffened hoppers can provoke relative economy when the subject is the weight of the plates. Analytical or numerical methods by \"small-deflection theory\" had showed to be very conservative in the design of the plates. For this kind of hopper, it\'s suggested that the work be made, at first, by membrane-effect, because of lower stiffness to the thinner plates flexion. So, to the more rational design, it\'s suggested the use of the \"large-deflection theory\" applied to the plates. The analytical theory to design of the stiffeners brought satisfactory values to the issues, at first, the stiffeners prescind from greater stiffness to the torsion.

Understanding the dynamic behavior of particulate materials is extremely important to many industrial processes with a wide range of applications ranging from hopper flows in agriculture to tumbling mills in the mining industry. Thus simulating the dynamics of particulate materials is critical in the design and optimization of such processes. The mechanical behavior of particulate materials is complex and cannot be described by a closed form solution for more than a few particles. A popular and successful numerical approach in simulating the underlying dynamics of particulate materials is the discrete element method (DEM). However, the DEM is computationally expensive and computationally viable simulations are typically restricted to a few particles with realistic particle shape or a larger number of particles with an often oversimplified particle shape. It has been demonstrated for numerous applications that an accurate representation of the particle shape is essential to accurately capture the macroscopic transport of particulates. The most common approach to represent particle shape is by using a cluster of spheres to approximate the shape of a particle. This approach is computationally intensive as multiple spherical particles are required to represent a single non-spherical particle. In addition spherical particles are for certain applications a poor approximation when sharp interfaces are essential to capture the bulk transport behavior. An advantage of this approach is that non-convex particles are handled with ease. Polyhedra represent the geometry of most convex particulate materials well and when combined with appropriate contact models exhibit realistic transport behavior to that of the actual system. However detecting collisions between the polyhedra is computationally expensive, often limiting simulations to only a few thousand of particles. Driven by the demand for real-time graphics, the Graphical Processor Unit (GPU) offers cluster type performance at a fraction of the computational cost. The parallel nature of the GPU allows for a large number of simple independent processes to be executed in parallel. This results in a significant speed up over conventional implementations utilizing the Central Processing Unit (CPU) architecture, when algorithms are well aligned and optimized for the threading model of the GPU. This thesis investigates the suitability of the GPU architecture to simulate the transport of particulate materials using the DEM. The focus of this thesis is to develop a computational framework for the GPU architecture that can model (i) tens of millions of spherical particles and (ii) millions of polyhedral particles in a realistic time frame on a desktop computer using a single GPU. The contribution of this thesis is the development of a novel GPU computational frame- work Blaze-DEM, that encompasses collision detection algorithms and various heuristics that are optimized for the parallel GPU architecture. This research has resulted in a new computational performance level being reached in DEM simulations for both spherical / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2015. / Mechanical and Aeronautical Engineering / PhD / Unrestricted

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Os silos verticais são estruturas com elevado índice de deformações excessivas e ruptura causados, principalmente, pelo desconhecimento da variabilidade nas pressões devidas ao produto armazenado. O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo teórico, numérico e experimental das pressões exercidas pelos produtos armazenados granulares nas paredes de silos esbeltos, com a proposta da incorporação de parâmetros com propriedades estocásticas, nos modelos de pressões apresentados na literatura. Os parâmetros mais relevantes dos modelos de pressões foram ajustados aos dados experimentais obtidos em um silo-piloto, utilizando a técnica de estimação de parâmetros por máxima verossimilhança (EMV), e, para isso, foram empregados os algoritmos genéticos (AGs) como procedimento de otimização. As avaliações experimentais no silo-piloto foram conduzidas com três produtos: soja, milho e ração. Com as variabilidades dos parâmetros dos modelos de pressões encontrados nos experimentos, a confiabilidade estrutural dos silos verticais metálicos cilíndricos de chapas onduladas e fundo plano foi avaliada por meio da técnica de simulação de Monte Carlo (SMC). Os resultados mostraram que os modelos de pressões de Janssen (1895) e de Jenike et al. (1973) podem ser utilizados para o cálculo das pressões com as variabilidades dos parâmetros representadas pela distribuição lognormal. A avaliação da probabilidade de falha para este sistema está acima dos limites recomendados internacionalmente, indicando que atenção especial deve ser dada aos projetos de silos verticais esbeltos. / Vertical silos are structures with a large number of deformations and failures mainly due to misunderstanding of pressure variability of the storage products. The aim of this work is theoretical, numerical and experimental study of wall pressure in slender silos with the incorporation of stochastic properties of the parameters in pressures models used in the international literature. The most relevant parameters of the pressure models were adjusted to the experimental data obtained from a pilot-silo using maximum likelihood function, and for this purpose, genetic algorithms (GA) were used in the optimization procedure. The experimental evaluation in pilot-silo was conducted with three different bulk solids, which are: maize, soy and animal feed mixture. With the pressures models parameters, the structural reliability of flat bottom corrugated cylindrical steel silos with was evaluated using Monte Carlo simulation (SMC) to simulate a stochastic process. The results showed that Janssen (1895) and Jenike et al. (1973) pressure models can be used to evaluate the pressures with the parameters uncertainties modeled to lognormal distributions. The reliability index determined in this structural system was less than international recommended values for the design of slender silos.

A maioria dos silos existentes no mundo não apresenta condições ideais de operação devido ao insuficiente conhecimento das pressões exercidas pelo produto armazenado principalmente na situação de descarga. A descarga excêntrica é comum em cooperativas e indústrias pois facilita o acesso na descarga do produto armazenado em trens e caminhões. Em contrapartida, nesta situação surgem pressões assimétricas que são a maior causa de acidentes e colapsos em silos. Até mesmo em silos concêntricos, as pressões assimétricas podem ocorrer. Ainda faltam muitas respostas com relação ao comportamento das pressões na descarga excêntrica, por isso, a maioria das normas internacionais recomenda a adoção de pressões adicionais para levar em conta os efeitos das pressões assimétricas, sendo que, estas recomendações variam muito de uma norma para outra e muitas vezes não são claras em suas afirmações. Este trabalho teve por objetivo principal o estudo teórico e numérico das pressões devidas ao produto armazenado em silos verticais com descarga excêntrica. Os resultados obtidos mostram que para a determinação das ações em silos esbeltos para o armazenamento de produtos de fluxo livre uma boa solução é a utilização dos métodos recomendados pelas normas EUROCODE e DIN, com algumas ressalvas: pressão no fundo do silo segundo a AS, estabelecimento de coeficiente de sobrepressão mínimo de 1,2 e porcentagem mínima de variabilidade das propriedades dos produtos, mesmo quando elas forem obtidas por meio de testes experimentais. / Most of the silos do not meet the ideal requirements for operation ought to many factors. One of the main factors is related to the lack of knowledge about the pressure imposed by the stored material, especially during discharge. In this work, the discharge done through eccentric silos is investigated, which is commonly employed by cooperatives and factories once they facilitate the access of trains and trucks to the discharged product. In those situations there is the occurrence of asymmetric pressure, which is the major cause of collapses and accidents in silos. There are still many pending answers regarding the pressure behavior in eccentric discharge; therefore, most international standards recommend the adoption of additional pressures in order to consider the effects of asymmetric pressures. The recommendations, however, are very diverse and not always clear. The results obtained show that, in order to determine the actions in slim silos for free flow product storage, it is important to use the methods recommended by the EUROCODE and DIN standards, with some exceptions: refer to the AS regarding to the pressure on the bottom of the silo, define the minimum underpressure coefficient as 1.2, and minimum percentage of product property variability, even if they are achieved through experimental tests.

Os silos metálicos cilíndricos de chapa corrugada e cobertura cônica são as unidades mais utilizadas no Brasil para o armazenamento de produtos granulares. As principais ações variáveis que atuam sobre os silos são as pressões devidas aos produtos armazenados e ao vento, sendo esta ação crítica quando o silo se encontra vazio. Devido à grande eficiência estrutural da forma cilíndrica e à resistência elevada do aço, estas estruturas são leves e delgadas e, portanto, suscetíveis a perdas de estabilidade local e global e arrancamento. Com a finalidade de avaliar estes efeitos foram realizados estudos teóricos e experimentais sobre as ações do vento em silos. O trabalho foi desenvolvido com ensaios de modelos aerodinâmicos e aeroelásticos em um túnel de vento na Universidade de Cranfield, Inglaterra, com o objetivo de determinar os coeficientes aerodinâmicos no costado e na cobertura. Os resultados mostram que os valores dos coeficientes recomendados pela Norma Brasileira de vento, NBR 6123 (1990), são adequados para o costado. Para a cobertura cônica, como não são especificados pela NBR, são recomendados valores dos coeficientes aerodinâmicos determinados nos ensaios. Conclui-se também que a colocação externa das colunas é a favor da segurança e que o uso de anéis enrijecedores no costado é indicado e muito importante para a estabilidade local e global da estrutura do silo. / The steel cylindrical silos made of corrugated sheets with conical roofs are the most used units to the storage of granular materials. The main silo loads are the pressures due to the stored material and to the wind, being this action the critical one when the silo is empty. Due to the high efficiency of the cylindrical form and to the high strength of the steel, these structures are thin and light-weight and, as a consequence, susceptible to the loss of local and global stability and to the pull out of the structure. With the aim to assess these effects related to the wind loading in silos, some theoretical and experimental studies were conducted. The work was carried out with aerodynamic and aeroelastic models tested in a boundary layer wind tunnel in the University of Cranfield, England, with the objective to determine the aerodynamic coefficients of the cylinder and the conical roof. The results show that the coefficients of the Brazilian Code of wind loads, NBR 6123 (1990), are adequate to the cylinder. The coefficients to the conical roof are suggested based on our tests, considering that there are no values specified by the NBR. As well it is concluded that the outside columns is on the side of safety and it is indicated the use of wind rings attached to the cylinder, which are very important to the local and global stability of the silo structure.

A maioria dos silos existentes no mundo não apresenta condições ideais de operação devido ao insuficiente conhecimento das pressões, do fluxo e do grande número de variáveis que afetam o comportamento dos produtos armazenados. Isso explica também, a grande quantidade de acidentes e colapsos em silos. Uma análise dos principais códigos normativos indica a existência de divergências entre eles, principalmente quando se referem à determinação das pressões exercidas pelo produto armazenado sobre a estrutura, o mesmo ocorrendo entre as teorias propostas por pesquisadores. Este trabalho tem por finalidade apresentar um estudo teórico das pressões e fluxo em silos verticais esbeltos (h/d≥1,5) exercidas pelo produto armazenado. Para isso, um estado da arte das teorias de pressões e fluxo propostas pelos mais importantes pesquisadores e normas internacionais sobre o assunto foi desenvolvida. Como exemplo de aplicação, foram analisadas as pressões em um silo vertical esbelto com fundo cônico, para as situações de fluxo de massa e fluxo de funil, para dois produtos granulares. Com base nos resultados obtidos, foi elaborada uma proposta de norma brasileira para a determinação das pressões exercidas pelo produto armazenado para essas unidades, tendo em vista que o Brasil ainda não possui uma norma específica para o projeto e construção de silos. Além disso, foi desenvolvido um programa computacional de cálculo das pressões. / Silos are structures that usually present process and failures problems due to insufficient knowledge of bulk solids pressures and flow. An analysis of the principal international theories and standards shows divergences, mainly in the pressures determination due to the storage of bulk solids. This work presents a theoretical study of the pressures and flow in slender vertical silos (h/d≥1,5) due the storage of the bulk solids. An state of the art of the theories of pressures and flow proposed by the most important researchers and international standards on the subject is presented. As a practical example, the pressures were determined in a slender vertical silo with conical bottom, for mass and funnel flow patterns and for two granular materials. Based on the study, a proposal of Brazilian standard was elaborated for the determination of the pressures due the bulk solids for slender silos, considering that Brazil doesn't still have a specific standard for the design and construction of silos. A software for pressures determination was also developed.

Esta pesquisa foi desenvolvida com o objetivo de fornecer subsídios técnicos para projetos de silos prismáticos metálicos para uso industrial, mais especificamente para fábricas de ração, como também contribuir para o desenvolvimento da futura norma brasileira específica para projeto de ações e fluxo em silos. Apresenta-se uma análise da evolução técnica das fábricas de ração no mundo até os dias de hoje com a concepção atual, atendendo às exigências de mercado que, a cada dia, torna-se mais competitivo e necessita do controle de qualidade total para preencher os pré-requisitos das normas nacionais e internacionais, já que o país está abrindo o mercado ao capital externo. Determinou-se as propriedades físicas de dois tipos de ração e de seus ingredientes, que são utilizados na maioria das rações fabricadas no país. Estas são as primeiras propriedades determinadas no país, com a máquina TSG70-140 conhecida em nível mundial como \"Jenike Shear Cell\' e recomendada pela maioria das normas de ações em silos existentes no mundo, com a finalidade da adoção dos parâmetros necessários para o cálculo das ações e fluxo de produtos armazenados. Foram estudados os painéis de construção de silos prismáticos para fábrica de ração com conformação ziguezague na horizontal e inclinação de 20° com o plano vertical, para aumentar a inércia das paredes e não acumular ração, que provocaria deterioração e/ou infestação de fungos e bactérias os quais contaminariam as rações, provocando danos econômicos aos fabricantes e aos criadores de animais. Foram feitos ensaios para determinar a rigidez e a resistência dos painéis conformados em ziguezague, em escala natural, que formaram as paredes dos silos prismáticos para a construção modular. Os resultados experimentais foram comparados com os obtidos com as teorias simplificadas propostas para o cálculo estrutural de silos e com o software estrutural LUSAS, que utiliza o métodos dos elementos finitos. A comparação dos resultados teóricos com os obtidos experimentalmente mostram que a teoria de TROITSKY (1988) apresenta boa correlação, portanto é adequada para o dimensionamento dos painéis. / This research was developed purposing to generate technical hints for the design of steel prismatic silos for industrial use, especially in the powder industry, as well as to contribute for the set up latter on of a Brazilian standard specifically for the design of actions and flow in silos. The world powder industry technological evolution up to now was evaluated, trying to take care of the trade demand, that always becomes more competitive, and thus requiring a total quality control to match the national and international standards, mostly because the Brazilian trade getting so much attractive to the foreign capital. It was determined the physical properties of the ingredients of two kinds of powder, which are used in most of the powder made in Brazil. These are the first properties evaluated in Brazil with the TSG70-140 machine, that is known over the world as \"Jenike Shear Cell\", and is recommend by most of the silo action standard existing in the word, with the purpose of adopting the necessary parameters to calculation of action and flow of materials storage. It was studied construction panels of prismatic silo for powder industry, with zigzag conformation and a slope of 20° from the vertical plan to increase the wall inertia and do not accumulate powder, that it would cause deterioration and/or infestation of fungus and bacterias that would contaminate the powder resulting economical damage to manufacture and animal criator. lt was done tests in to determine the rigidity and strength of the panels in full scale, that will make up the formed prismatic silo wall for modular construction. The experimental results were compared to simplified theories proposed to structural calculations of silos, and to the results given by the LUSA software which utilities finites elements. These comparations showed that the theory of TROITSKY (1988) presents a good correlation, and so it is suitable for the panel design.

A aplicação de conceitos de estabilidade surge espontaneamente em estruturas metálicas e, mais destacadamente, nas estruturas de silos e de reservatórios. A parede cilíndrica que compõe o corpo desse tipo de estrutura é formada de chapasmetálicas delgadas, característica que surge da grande eficiência da forma cilíndrica. Neste trabalho, procura-se dispor ao engenheiro conceitos claros e distintos do comportamento e dos fenômenos de perda de estabilidade do equilíbrio dereservatórios e de silos metálicos. São expostas as teorias para a análise de silos para materiais granulares e pulverulentos não-coesivos e reservatórios para líquidos que não produzem gases. Mostra-se que a ação do material ensilado provocaesforços de compressão que possibilitam a ocorrência de fenômenos de perda da estabilidade da estrutura, conhecidos como flambagem no jargão técnico. Também a ação do vento pode ocasionar perda de estabilidade na estrutura vazia. Apresenta-se umresumo das teorias envolvidas, um ensaio numérico de modelos cilíndricos, um exemplo de silo de grãos, e uma compilação das normas e artigos mais atuais e abrangentes do problema de estabilidade em estruturas cilíndricas. Por fim, são estabelecidas as configurações estruturais que apresentam maiores riscos para a flambagem, e fornecidas as relações de diâmetro/espessura e de diâmetro/altura em que é possível se evitar os problemas advindos da perda da estabilidade do equilíbrio. / The application of the stability concepts appears spontaneously on steel structures and, more distinctly, on silos and tanks structures. The cylindrical wall that makes the body of this kind of structure is constituted of thin steel plates, characteristic that comes out of the great efficiency of the cylindrical shape. In this work, it is intended for the engineer clear and distinct notions about the behaviour and the loss of stability equilibrium phenomena of steel silos and tanks. The theories for the analysis of silos for non-cohesive, pulverulent and grain materials, and of tanks to liquids that produces no gases, are exposed. It is shown that the action of the bulk stored material causes compression that makes possible the occurrence of the phenomena of loss of the stability of the structure, commonly known in the technician jargon as buckling. Also the wind load can lead to the loss of stability of the empty structure. A summary is shown for of the involved theories, a numerical experiment with cylindrical models, an example of grain silo, and a compilation of the recommendations, norms and articles on the problem of the cylindrical structures stability. At least, it is established the structural configurations that poses major risks to buckling, and it is supplied relations of diametre/thickness and of diameter/height with whom it is possible to avoid the problems that come from the loss of the stability of equilibrium.

A armazenagem em fazenda necessita ser expandida de modo a propiciar um melhor equilíbrio de fluxos e funções entre as etapas da rede armazenadora. No Brasil, embora não se disponha de números exatos, sabe-se que armazenagem na fazenda é mínima, sendo estimada em torno de 4% a 7%, dependendo da região. Em geral, os silos utilizados para a armazenagem em fazenda apresentam baixa relação entre a altura do silo e o seu diâmetro ou lado (0,75 a 1,5) e fundo plano. Podem ser construídos com os mais diversos materiais, como concreto, madeira, argamassa armada etc., mas a predominância é a utilização de silos metálicos em chapa de aço ondulada. Apesar da intensa utilização destas unidades em todo o mundo, e serem as mais produzidas pela indústria, a previsão das pressões devidas ao produto armazenado é ainda divergente entre os pesquisadores e normas existentes. Este trabalho foi realizado em duas etapas: teórica e experimental. Na parte teórica, deu-se ênfase à análise comparativa das principais teorias e normas estrangeiras. Na parte experimental, foram feitos ensaios diretos em um silo protótipo com relação h/d=0,98 e um silo piloto para relações h/d=0,98, 1,25 e 1,49, ambos de chapa de aço ondulada, para obtenção das pressões horizontais na parede e verticais no fundo plano. Com base nos resultados experimentais propõe-se modelos empíricos para a determinação das pressões horizontais e verticais no fundo plano do silo para esse tipo de unidade armazenadora. Também determinou-se experimentalmente o valor do parâmetro K, concluindo-se que a formulação de Hartmann é a mais indicada para silos metálicos de chapa de aço ondulada. / The farm storage must be expanded in order to offer a better balance of flows and functions among the stages of the storage system. In Brazil, it is known that storage in the farms is only about 4% to 7%, depending on the region. In general, the silos used for farm storage presents low ratio between the height of the silo and its diameter or side (0,75 to 1,5) and flat bottom. They can be built with different structural materials, as concrete, wood, ferrocement, etc., but the material predominance is corrugated steel. In spite of the intense use of these units all over the world, and its industry production, the pressures due the stored product is still divergent between the researchers and existent codes. This work was accomplished in two stages: theoretical and experimental. The theoretical part corresponds to the comparative analysis of the main theories and foreign codes. The experimental part corresponds to load tests using pressure cells in a silo prototype of relationship h/d=0,98 and a pilot silo for relationships h/d=0,98, 1,25 and 1,49, both of corrugated steel, for obtaining of the horizontal wall pressures and vertical pressures in the flat bottom. Based in the experimental results empiric models for the determination of the horizontal and vertical pressures in the bottom are proposed. The value of the parameter K, was also experimentally determined and the results showed that the formulation of Hartmann is the most suitable for metallic silos of corrugated steel plates.