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.

Neste trabalho apresenta-se uma combinação de formulações numéricas para a análise da interação estaca-solo com ou sem blocos de capeamento rígido, sujeita à carga horizontal e vertical. Nestas formulações as estacas são representadas pelo método das diferenças finitas (MDF) ou pelo método dos elementos finitos (MEF) e o solo é representado pelo método dos elementos de contorno (MEC). Na utilização do MEF, para a análise das estacas, os deslocamentos e as forças de interação foram representados por várias funções polinomiais chegando-se a um elemento finito final considerado eficiente e constituído por quatro pontos nodais, 14 parâmetros nodais, sendo quatro para deslocamentos lineares em cada uma das direções (X1, X2 e X3) e mais dois parâmetros referentes as rotações do topo da estaca em torno dos eixos X1 e X2. Os deslocamentos transversais ao longo da estaca foram representados por uma função polinomial do 4º grau e os deslocamentos axiais foram representados por uma função cúbica. Para as forças da interface nas direções X1 e X2 são utilizados funções polinomiais cúbicas. As forças de superfície cisalhantes que ocorrem ao longo do fuste da estaca são representadas por um polinômio quadrático e a tensão normal à seção da extremidade inferior da estaca é suposta constante. O maciço de solos é modelado pelo MEC como um meio contínuo, elástico-linear, semi-infinito, isótropo e homogêneo. Combinando-se estes métodos de análise, obtém-se um sistema de equações lineares representando o problema de interação estaca-solo. Após a resolução deste sistema, são obtidos os deslocamentos e rotações nos nós do elemento e as tensões de contato estaca-solo. Vários exemplos envolvendo as formulações propostas são analisados e os resultados obtidos são concordantes com os de outros autores. / This work presents a mixed numerical formulation of analysis of the pile-soil interaction, with or without rigid caps, under horizontal and vertical loads. In these formulations the piles are modeled by finite difference method (FDM) or finite element method (FEM) and the soil is represented by the boundary element method (BEM). In the finite element method for the pile analysis the displacements and interactions forces with the soil were represented by several polynomials functions leading to an efficient element with four nodal points, 14 nodal parameters, where four parameters are the linear displacements for each directions (X1, X2 e X3) and two parameters for the rotations at the top of the pile. The transversal displacements along the pile were represented by a fourth degree polynomial and the axial displacements were represented by cubic functions. The interface forces in the X1 and X2 directions are represented by cubic functions. The shear contact forces along of the pile surface are approximated by a second degree polynomial and the normal tractions in the pile tip is assumed to be constant over its crosssection. The soil is modeled by BEM as an isotropic, homogeneous, semi-infinite and linear-elastic continuum. Combining these analysis methods a complete system representing a pile-soil interaction problem can be obtained and from it the displacements and the pile-soil contact tractions can be achieved. Various examples are presented and the results closely agree with others authors.

Este trabalho trata da análise da propagação de fissuras, independente do tempo, em domínios bidimensionais utilizando uma formulação alternativa do método dos elementos de contorno (MEC). O MEC vem sendo utilizado com sucesso na análise de diversos problemas de engenharia. Considerando problemas de mecânica da fratura, o MEC é especialmente eficiente devido à redução da dimensionalidade de sua malha, o que permite a simulação do crescimento das fissuras sem as dificuldades do processo de remalhamento. Nesta pesquisa, desenvolvem-se formulações não lineares do MEC para a análise da propagação de fissuras em materiais quase frágeis. Nesses materiais, a zona de processo à frente da ponta da fissura introduz efeitos fisicamente não lineares no comportamento estrutural. Assim, para a simulação da presença da zona de processo, modelos não lineares são necessários. Classicamente a formulação dual do MEC é utilizada para modelar propagação de fissuras na quais equações singulares e hipersingulares são escritas para elementos definidos ao longo das faces das fissuras. O presente trabalho propõe uma segunda formulação utilizando um campo de tensões iniciais para a representação da zona coesiva. Nesta formulação, o termo de domínio da equação integral clássica do MEC é degenerado, de forma a atuar somente ao longo do caminho de crescimento das fissuras, sendo que esse procedimento dá origem a uma nova variável denominada dipolo, responsável por garantir o atendimento das condições de contorno. Em conjunto com essa nova formulação, se propõe o uso do operador tangente (OT), que é deduzido no trabalho, a fim de acelerar o processo de convergência da solução. Os resultados obtidos, por meio da formulação alternativa, são comparados tanto com dados experimentais quanto com o MEC dual, ambos disponíveis na literatura. As respostas encontradas foram satisfatórias no sentido de conseguir reproduzir o comportamento real da estrutura explorando as vantagens computacionais proporcionadas pelo OT. / This work presents a time-independent crack propagation analysis, in two-dimensional domains, using an alternative boundary element method (BEM) formulation. BEM has been used successfully to analyze several engineering problems. Considering fracture mechanics problems, BEM is especially efficient due to its mesh reduction aspects, which allows the simulation of crack growth without remeshing difficulties. In this research, nonlinear BEM formulations are develop in order to analyze crack propagation in quasi-brittle materials. Considering these materials, the process zone ahead of the crack tip leads to nonlinear effects related to structural behavior. Thus, nonlinear models are required for simulating the presence of the process zone. Classically, the dual BEM is used for modeling the crack propagation, in which singular and hyper-singular equations are written for elements defined along the crack faces. This work proposes an alternative formulation using the initial stress field to represent the cohesive zone. In this formulation, the classic domain integral term is degenerated in order to be non-null only at the crack growth path. This procedure leads the creation of new variable called dipole, which is responsible for ensuring the compliance of the boundary conditions. In addition to this new formulation, it is proposed the use of the tangent operator (TO), which is derived in this work, in order to accelerate the convergence. The results obtained using the new formulation, are compared with experimental data and dual BEM results available in the literature. The responses were found satisfactory in reproducing the behavior of real structures exploiting the computational advantages provided by the TO.

O estudo do comportamento mecânico do complexo sistema advindo da interação entre solo/subestrutura/superestrutura é o tema do trabalho. Neste contexto, a representação do maciço é feita usando-se o método dos elementos de contorno (MEC) em abordagem 3D, de maneira que se possa simular o maciço com características mecânicas não-homogêneas, além de se considerar uma camada de apoio indeslocável a distâncias prescritas a priori e condição de aderência perfeita. A subestrutura também é representada via MEC tridimensional, a qual está imersa dentro deste meio heterogêneo. A infra e a superestrutura são modeladas empregando o método dos elementos finitos (MEF), com o uso de elementos estruturais reticulares e elementos laminares. São apresentados alguns exemplos em que se valida a formulação e outros que demonstram a potencialidade e a necessidade de se empregar a formulação para a melhor análise do complexo fenômeno em estudo. Por fim, demonstra-se a obrigatoriedade de se otimizar a formulação, empregando-se duas grandes ferramentas numéricas: o paralelismo e o emprego de um adequado método de resolução de sistemas esparsos. / The analysis of the soil-structure system interaction is a vast field of interest in the area of civil engineering. A realistic representation of its behaviour. Thus, in the present research, the soil is considered a non-homogeneous continuum supported by a rigid and adhesive interface and modelled by boundary element method via Kelvin solution in 3D space. The foundation is also modelled by this above-mentioned modelling technique. The raft foundation and the superstructure are represented by finite shell and 3D frame elements. In order to estimate the accuracy and the potentiality of the proposed numerical formulation, some examples are validated when compared to similar approaches, and others simulations are presented to stress the necessity of coupling the non-homogeneous soil-foundation-radier-superstructure system as a whole. Finally, to acquire numerical time efficiency, it is shown that it is imperative to apply parallel processing and sparse techniques for the solution of the final system.

O presente trabalho trata do desenvolvimento de formulações numéricas para avaliar o comportamento mecânico de estruturas compostas planas, no contexto de elasticidade linear e mecânica da fratura não linear. As formulações propostas são baseadas no Método dos Elementos de Contorno (MEC), por meio das representações integrais singular e hiper singular dos problemas elastostáticos. A técnica de multi-regiões é considerada para acoplar a interface de sólidos multifásicos. O MEC é uma técnica numérica robusta e precisa para analisar o fenômeno da fratura em sólidos. Esse método numérico apresenta uma natural redução na dimensionalidade do problema, tornando mais simples a modelagem das superfícies de fratura. Além disso, essa redução de dimensionalidade faz também com que o tratamento de interfaces materiais em estruturas compostas seja uma tarefa menos árdua. Com o uso da solução fundamental de Kelvin nas representações integrais, materiais isotrópicos podem ser considerados para constituir as estruturas compostas. Por outro lado, utilizando a solução fundamental de Cruse & Swedlow, também é possível lidar, de maneira geral, com materiais anisotrópicos em estruturas compostas. Nessas estruturas, as fraturas são assumidas como ocorrendo ao longo das interfaces e o comportamento não linear é introduzido pelo modelo coesivo de fratura, o qual é aplicável a materiais quase frágeis. Nessas análises, o sistema não linear de equações pode ser solucionado utilizando dois distintos algoritmos de resolução iterativa. O primeiro sempre leva em consideração a rigidez elástica da estrutura e é, portanto denominado Operador Constante (OC). Já o segundo é denominado Operador Tangente (OT), pois considera uma rigidez tangente à resposta estrutural não linear, o que resulta em melhores taxas de convergência em comparação ao OC. Como aplicações das formulações, estruturas compostas teóricas foram analisadas em regime elástico. Além disso, testes experimentais de fratura em espécimes de concreto e madeira também foram simulados. A comparação dos resultados com as referências demonstrou que, as formulações foram efetivas e precisas para avaliar respostas mecânicas de estruturas, seja em regime elástico linear ou nos testes de fratura quase frágil. / The present work deals the development of numerical formulations to evaluate the mechanical behaviour of plane composed structures, in the context of linear elasticity and nonlinear fracture mechanics. The proposed formulations are based on the Boundary Element Method (BEM), through its classical singular and hyper singular integral equations. The multi-region technique is adopted to couple the interfaces of non-homogeneous multiphase bodies. The BEM is a robust and accurate numerical technique to analyse fracture phenomena in solids. This numerical method presents a mesh dimensionality reduction, which makes easier the modelling of cracks surfaces. Besides, this dimensionality reduction also makes the treatment of interfaces in composed structures a less complex task. Considering the use of Kelvin fundamental solutions at the integrals equations, isotropic materials can be represent as parts of the composed structures. On the other hand, using Cruse & Swedlow fundamental solution it is also possible to deal with general anisotropic materials. At the composed structures, cracks can propagate along the materials interfaces and the cohesive crack model is responsible for the nonlinear structural behaviour of the quasi-brittle failures. The nonlinear system of equations at the fracture analyses is solved using two different algorithms for iterative resolution. The first always takes into account the structure elastic strength and, hence it is called Constant Operator (CO). On the other hand, the second is denominated Tangent Operator (TO) due to the fact that it considers strengths at the tangent directions of the nonlinear structural response. Therefore, convergence rates are faster when compared with the CO. As applications, composed structures were analysed with the developed formulations in linear elastic range. In addition, experimental fracture testes performed in concrete and wood specimens were also analysed. The confront of obtained results with the reference ones show that, the formulation was effective and accurate to evaluate the mechanical responses of composed structures in linear elastic range, and also to perform nonlinear quasi-brittle fracture tests.

No presente trabalho, uma combinação do método dos elementos de contorno (MEC) com o método dos elementos finitos (MEF) é apresentada para a análise da interação entre estacas e o solo, considerado como um meio infinito tridimensional e homogêneo. O meio contínuo tridimensional de domínio infinito é modelado pelo MEC, enquanto as estacas consideradas como elementos reticulares são tratadas pelo MEF. As equações das estacas oriundas do método dos elementos finitos são combinadas com as do meio contínuo obtidas a partir do método dos elementos de contorno, resultando em um sistema completo de equações, que convenientemente tratadas, proporcionam a formulação de coeficientes de rigidez do conjunto solo-estacas. Finalmente, uma formulação para a análise do comportamento não-linear do solo na interface com a estaca é desenvolvida, tornando o modelo mais abrangente. / In the present work a combination of the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM) is used for pile-soil interaction analyses, considering the soil as a homogeneous, three-dimensional and infinite medium. The three-dimensional infinite continuous medium is modeled by the BEM, and the piles are, considered as beam elements, modeled by the FEM. This combination also is used for studying the interaction of plates sitting on a continuous medium. The pile equations generated from the FEM are combined with the medium equations generated from the BEM, resulting a complete equation system. Manipulating properly this equation system, a set of stiffness coefficients for the system soil-pile is obtained. Finally, to make the model more comprehensive, it presented a formulation to take into account the soil nonlinear behavior at the pile interface.

O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de um código computacional que possibilite a análise dinâmica de estruturas tridimensionais em regime elástico-linear acopladas ao solo, tratado como meio infinito elastoplástico. As superestruturas são tratadas por elementos finitos simples de casca e de barra geral, as estruturas de fundações são tratadas por elementos de casca que simulam o contato com o solo, modelando radiers, túneis e reservatórios enterrados. Blocos são modelados por elementos de contorno tridimensionais. O solo é modelado de duas maneiras distintas: na região plastificada emprega-se a solução fundamental de Kelvin (estática) e na região não plastificada (elástica) adota-se a solução fundamental do problema de Stokes. O acoplamento entre os meios é feito aplicando-se a técnica de subregiões. Deve ficar claro que todo procedimento estático equivalente foi implementado. Vários exemplos numéricos são apresentados, onde se percebe a eficiência do código computacional desenvolvido / The objective of the present work is the development of a computational code that makes possible dynamic analyses of three-dimensional structures in elastic-linear behavior coupled to the soil, modeled as elastoplastic infinite medium. Simple finite elements, shell and general bars, are used to model elastic structures. The structures of foundations are modeled by shell’s elements which simulate the contact with the soil, modeling radiers, tunnels and buried reservoirs. Blocks are modeled by three-dimensional boundary elements. The soil is modeled in two different ways: in the plastic region Kelvin’s fundamental solution (static) is used and in the elastic region the fundamental solution of the Stoke’s problem is adopted. The coupling among the media is done applying the sub-region technique. It is important to note that the equivalent static procedure has been implemented. Several numerical examples are presented, demonstrating the efficiency of the developed computational code

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-05-31T15:07:36Z No. of bitstreams: 1 lucasvitorfonsecadeoliveira.pdf: 1420167 bytes, checksum: b5075b7ccc33c587012a46901a9b21af (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-02T12:44:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 lucasvitorfonsecadeoliveira.pdf: 1420167 bytes, checksum: b5075b7ccc33c587012a46901a9b21af (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-02T12:44:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lucasvitorfonsecadeoliveira.pdf: 1420167 bytes, checksum: b5075b7ccc33c587012a46901a9b21af (MD5) Previous issue date: 2012-03-30 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com a abertura legal do setor elétrico brasileiro na década de 90 para investimentos privados, em especial com a implantação sistemática de leilões para definição dos concessionários de transmissão, diversos estudos foram efetuados com o objetivo de viabilizar projetos de linha de transmissão de modo a concorrem nesses leilões. Grandes transmissoras, como Furnas, Chesf e Eletronorte promoveram pesquisas em consórcio com empresas construtoras de linhas e fabricante de ferragens e isoladores, com o objetivo de desenvolverem projetos com baixa relação Reais/MW transmitido. Neste cenário, muitos projetos de linhas de potência natural elevada foram idealizados e implantados, e como fruto desses projetos, publicações foram realizadas descrevendo os resultados obtidos. Todavia, apesar da quantidade, qualidade e riqueza das informações publicadas, a descrição do processo de otimização dos parâmetros elétricos da linha, em especial da impedância característica, não receberam destaque, sendo muita das vezes suprimida nos artigos. Neste sentido, este trabalho propõe a investigação de um método inovador de otimização da capacidade de transmissão de linhas de potência natural elevada, através da análise indireta dos efeitos da variação do posicionamento dos cabos condutores no feixe sobre a impedância característica da linha, por meio de uma abordagem original que utiliza basicamente o vetor de Poynting como função objetivo do Método de Otimização por Enxame de Partículas, sendo os campos elétricos e magnéticos necessários para definição do vetor de Poynting calculados por meio do Método dos Elementos de Contorno. O método foi validado utilizando como exemplos a otimização das configurações de feixes da linha de 500 kV Interligação Norte/SUL III – Trecho 2 e Linha de 500 kV Presidente Dutra / Teresina / Sobral / Fortaleza. Foram encontrados ganhos na capacidade de transmissão de 7% e 22% respectivamente devido à redução da impedância característica calculada após a otimização através da rotina Line Constants do programa ATP/EMTP, e comparando-a com os valores originais. / With the legal opening for private investments in the Brazilian energy sector in the 90's, in particular the systematic implementation of auctions for defining power transmission concessions, several studies were made with the aim of developing transmission line projects in order to compete in these auctions. Major transmission companies such as Furnas, Eletronorte and CHESF promoted consortium research with line builders and hardware and insulators manufacturers, in order to develop projects with low cost/MW transmitted. In this scenario, many projects of high surge-impedance loading lines were developed and implemented, and as a result of these projects, publications were made describing the results. However, despite the quantity, quality and resourcefulness of published information, the descriptions of the optimization process of electrical line parameters, especially regarding characteristic impedance, were not given prominence, being often suppressed from the articles. Thus, this study proposes the investigation of a method for optimizing the transmission capacity of high surge-impedance loading lines, varying the power cables in the bundle, indirectly reducing its characteristic impedance through an original approach that uses basically the Poynting's vector as objective function of the Particle Swarm Optimization method.The electric and magnetic fields needed for defining the Poynting vector were calculated using the Boundary Element Method. The method was validated through the optimization of bundle configuration, using as a model the characteristics of the 500 kV line North / South Interconnection III - Segment 2 and the 500 kV line Presidente Dutra / Teresina / Sobral / Fortaleza. It was found transmission capacity gains of 7% and 22% respectively, by reducing the characteristic impedance, which was calculated after the optimization using the EMTP/ATP Line Constants Program, comparing it with the original values.

This thesis is a numerical study of fields within ion traps having segmented electrodes1. The focus is on two cylindrical ion trap structures, two Orbit rap structures and one planar structure which mimics the field of the Orbit rap. In all these geometries, the segments which comprise the electrodes are easily Machin able rings and plates. By applying suitable potential to the different segments, the fields within these geometries are made to mimic the fields in the respective ideal structures. This thesis is divided into 6 chapters. Chapter 1 presents introduction and background information relevant to this work. A brief description of the Quadrupole Ion Trap (QIT) and the Orbit rap is given. The role of numerical simulations in the design of an ion trap geometry is briefly outlined. The motivation of this thesis is presented. The chapter ends by describing the scope of the thesis. Chapter 2 presents a general description of computational methods used throughout this work. The Boundary Element Methods (BEM) is first described. Both 2D and 3D BEM are used in this work. The software for 3D BEM is newly developed and hence 3D BEM is described in more detail. A verification of 3D BEM is presented with a few examples. The Runge-Kutta method used to compute the trajectory of ion is presented. A brief overview of the Nelder-Mead method of function minimization is given. The computational techniques specifically used to obtain the results in Chapter 3, 4 and 5 are presented in the respective chapters. Chapter 3 presents segmented electrode geometries of the Cylindrical Ion Trap (CIT). In these geometries, the electrodes of the CIT are split into number of mini-electrodes and different voltages are applied to these segmented electrodes to achieve the desired field. Two geometries of the segmented electrode CIT will be investigated. In the first, we retain the flat end cap electrodes of the CIT but split the ring electrode into five mini-rings. In the second configuration, we split the ring electrode of the CIT into three mini-rings and 1The term ‘segmented electrode’ used in this thesis has the same connotation as the term ‘split-electrode’ used in Sonalikar and Mohanty (2013). also divide the end caps into two mini-discs. By applying different potentials to the mini-rings and mini-discs of these geometries we will show that the field within the trap can be optimized to desired values. Two different types of fields will be targeted. In the first, potentials are adjusted to obtain a linear electric field and, in the second, a controlled higher order even multipole field are obtained by adjusting the potential. It will be shown that the different potentials to the segmented electrodes can be derived from a single RF generator by connecting appropriate capacitor terminations to segmented electrodes. The field within the trap can be modified by changing the value of the external capacitors. Chapter 4 presents segmented electrode geometries which are possible alternatives for the Orbitrap. Two segmented-electrode structures, ORB1 and ORB2, to mimic the electric field of the Orbitrap, will be investigated. In the ORB1, the inner spindle-like electrode and the outer barrel-like electrode of the Orbitrap are replaced by rings and discs of fixed radii, respectively. In this structure two segmented end cap electrodes are added. In this geometry, different potentials are applied to the different electrodes keeping top-bottom symmetry intact. In the second geometry, ORB2, the inner and outer electrodes of the Orbitrap are replaced by an approximate step structure which follows the profile of the Orbitrap electrodes. For the purpose of comparing the performance of ORB1 and ORB2 with that of the Orbitrap, the following studies will be undertaken: (1) variation of electric potential, (2) computation of ion trajectories, (3) measurement of image currents. These studies will be carried out using both 2D and 3D Boundary Element Method (BEM), the 3D BEM is developed specifically for this study. It will be seen in these investigations that ORB1 and ORB2 have performance similar to that of the Orbitrap, with the performance of the ORB1 being seen to be marginally superior to that of the ORB2. It will be shown that with proper optimization, geometries containing far fewer electrodes can be used as mass analysers. A novel technique of optimization of the electric field is proposed with the objective of minimizing the dependence of axial frequency of ion motion on the initial position of an ion. The results on the optimization of 9 and 15 segmented-electrode trap having the same design as ORB1 show that it can provide accurate mass analysis. Chapter 5 presents a segmented electrode planar geometry named as PORB used to mimic the electric field of the Orbit rap. This geometry has two planes, each plane consisting of 30 concentric ring electrodes. Although the geometry of PORB does not have conventional inner and outer electrodes of the Orbit rap, it will be shown that by selecting appropriate geometry parameters and suitable potentials for the ring electrodes, this geometry can trap the ions into an orbital motion similar to that in the Orbit rap. The performance of the planar geometry is studied by comparing the variation of potential, ion trajectories and image current in this geometry with that in the Orbit rap. The optimization of applied potentials is performed to correct the errors in the electric field so that the variation of axial frequency of ions with their initial position is minimized. Chapter 6 presents the summary and a few concluding remarks

This thesis investigates the loss of high mass ions due to the initial thermal energy in ion trap mass analyzers. It provides an analytical expression for estimating the percentage loss of ions of a given mass at a particular temperature, in a trap operating with a set of conditions. The investigations have been carried out on quadrupole and cylindrical ion trap geometries. The three-dimensional Maxwellian velocity distribution function has been assumed to derive an expression for the percentage of ions lost. Adopting an approximation based on the observed escape velocity profiles of ions, an expression for the percentage loss of ions of a given mass has been derived as a function of the temperature for an ensemble of ions, its mass and its escape velocity. An analytical expression for the escape velocity has also been developed. It is seen that the escape velocity is a function of the trapping field, drive frequency and ion mass. Because the trapping field is determined by trap design parameters and operating conditions, it has been possible to study the influence of these parameters on ion loss. The parameters investigated include ion temperature, magnitude of the initial potential applied to the ring electrode (which determines the low mass cut-off), trap size, dimensions of apertures in the endcap electrodes and RF drive frequency. The studies demonstrate that ion loss due to initial thermal energy increases with increase in mass and that ion escape occurs in the radial direction. Reduction in the loss of high mass ions is favoured by lower ion temperatures, increasing low mass cut-off, increasing trap size, and higher RF drive frequencies. The dimensions of the apertures in the endcap electrodes do not influence ion loss in the range of aperture sizes considered.