Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O gerenciamento do tempo nos projetos de construção civil usualmente utiliza algoritmos determinísticos para o cálculo dos prazos de finalização e algoritmos PERT para avaliação da probabilidade de o mesmo terminar até uma determinada data. Os resultados calculados pelos algoritmos tradicionais possuem defasagens nos prazos se comparados aos encontrados na realidade o que vem fazendo com que a simulação venha se tornando uma ferramenta cada vez mais utilizada no gerenciamento de projetos. O objetivo da dissertação é estudar o problema dos prazos de finalização dos projetos desenvolvendo novas técnicas de cálculo que reflitam melhor os prazos encontrados na vida real. A partir disso é criada uma ferramenta prática de gerenciamento do tempo de atividades de projetos de construção enxuta baseada em planilha eletrônica onde serão utilizadas técnicas de simulação a eventos discretos, com base em distribuições de probabilidade como, por exemplo, a distribuição beta. / Time management in construction projects usually use deterministic algorithms to calculate the time of fulfillment, and PERT algorithms to evaluate the probability of such project ending by a certain date. The results achieved by traditional algorithms are not accurate when compared to those found in the field, which is increasing the use of simulation as a tool in project management. The aim of this dissertation is to study the deadline fulfillment problems of projects, developing new calculation techniques that better represent the deadlines found in real life. For such study is developed a practical tool for time management of lean construction projects based on spreadsheet which will be used discrete event simulation techniques based in probability distributions, such as, the beta distribution.

[pt] Este trabalho tem como finalidade comparar e analisar diferentes modelos numéricos na análise do processo de queda de blocos com diferentes geometrias, para que seja possível determinar os riscos à infraestrutura e à população local que este evento pode causar. Foram utilizados o software RAMMS e o programa de modelagem PFC3D para simulação de queda de blocos. O primeiro foi desenvolvido pelo instituto suíço WSL, o software utiliza a dinâmica não suave (nonsmooth), não havendo penetração dos blocos com a superfície, e as leis de contato são feitas por restrições. O segundo utiliza o método dos elementos discretos através de dinâmica de contato suave. Na primeira parte do trabalho foram realizadas simulações de casos simples de queda de blocos para ambos os modelos, a fim de analisar o principal parâmetro do contato rocha-solo de cada programa com o alcance das rochas. O modelo de contato no programa PFC3D utilizado foi o método linear, e depois foi adicionada uma força de resistência ao rolamento para que o modelo conseguisse reproduzir o comportamento de solos mais macios. Os modelos foram simulados para casos reais, primeiro foram aplicados para uma encosta na BR116, onde um evento de deslizamento já tinha ocorrido. Foram realizadas simulações com os dois modelos na região, comparando-os e analisando com os vestígios deixados pelo evento. Outro caso estudado foi o de blocos susceptíveis ao deslizamento no bairro Glória, no município de Petrópolis. E por último, foram criados modelos para analisar o comportamento da vegetação em ambos os modelos. Com os resultados obtidos, conclui-se que o PFC3D consegue simular o processo de queda com melhor precisão através do auxílio da força de resistência ao rolamento. Para ambas simulações, o caso da BR116 e o do bairro Glória, os modelos apresentarem uma mesma tendência quanto a trajetória do bloco, mas melhorias na calibração do modelo linear com resistência ao rolamento precisam ser realizadas para que melhores resultados sejam obtidos. A presença de vegetação se mostrou como um mecanismo muito eficiente para perdas de energia no sistema, diminuindo significativamente a velocidade dos blocos. / [en] The aim of this work is to compare and analyze different numerical models on the rockfall process with different geometries, to determine the risks to the local infrastructure and population. It was used the software RAMMS and the modeling program PFC3D to simulate rockfall events. The first software was developed by the Swiss institute WSL, it uses the nonsmooth dynamics system, it is a dynamic behavior where there is no penetration between the rock and the surface and the contact laws are created by restrictions laws. And the second one uses the discrete element method applying the smooth dynamics system to simulate the event. On the first part of the work, numerical models were created on both models to simulate simple cases of rockfall events, to compare the main soil-rock parameter of both modeling program with the distance reached of the rocks. The contact model used on the PFC3D program was the linear method, and after the first simulations was added a rolling resistance force to the model reproduce soft. Both models were applied to real cases, the BR116 was the first case modeled, where some natural hazards have already happened. The results of the numerical simulations were compared and analyzed. It was also created a model to simulate the rockfall event of the Gloria neighborhood, in Petropolis; rocks that could fall were determined and simulations for those blocks were performed, the deposition area and the blocks trajectory of each model were examined. And finally, it was studied the vegetation effect of each model and its particularities. Through the results, it is possible to conclude that the PFC3D can simulate the rockfall process with better accuracy using the rolling resistance method. For both simulation, the BR116 and the Gloria neighborhood, the models showed the same tendency of the blocks trajectory, but it is necessary to improve the calibration of the rolling resistance coefficient. The existence of the vegetation revealed as a very effect lose energy mechanism on the system, decreasing significantly the velocity of the blocks.

Quando o concreto é submetido a ações especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias, já que o concreto não apresenta desempenho satisfatório à tração, o que compromete o seu comportamento frente à ação de cargas dinâmicas. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras ao concreto. Estas atuam como reforços à tração, transformando a matriz cimentícia, tipicamente frágil, em um material que apresenta boa resistência residual após a fissuração. Buscando colaborar na avaliação da eficiência de diferentes tipos de fibras, o presente trabalho analisa o comportamento de concretos com fibras de aço, submetidos ao impacto, avaliando a influência do fator de forma, do comprimento e do teor de fibras, assim como do tamanho do agregado. São ainda analisados os efeitos da incorporação de fibras na resistência à compressão, na resistência à tração por compressão diametral, no módulo de elasticidade e na tenacidade dos compósitos. Adicionalmente, é executada uma comparação entre os resultados experimentais e os derivados de um esquema de modelagem da situação de impacto através do uso do método de elementos discretos. Buscou-se, através da modelagem teórica, executar um mapeamento dos danos, provocados por cargas de impacto incrementais, ao longo do tempo, bem como determinar as energias necessárias para levar as placas até a ruptura. Os resultados indicam que a incorporação de fibras de aço não consegue retardar o aparecimento da primeira fissura, mas aumenta significativamente a tenacidade dos compósitos. Fibras mais longas e com maior fator de forma tendem a ser mais eficientes, desde que se supere um teor de fibras mínimo, que neste trabalho ficou em torno de 100.000 fibras/m3, para fibras longas (50-60 mm) e de 400.000 fibras/m3, para fibras curtas, cuja ancoragem é menos eficiente. O método de teste de impacto por queda de esfera se mostrou adequado e sensível, porém o esquema de modelagem numérica testado necessita ser refinado para permitir uma adequada simulação do comportamento de concretos com fibras. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, concrete elements need to be reinforced, in order to resist the tensile stresses. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate fibers in the concrete matrix. The fibers act as a tensile reinforcement, transforming the fragile cement matrix into a composite with significant post-cracking residual strength. In order to contribute with the data collection about the efficiency of different fiber types, the present research work presents an analysis of the behavior of steel fiber reinforced concretes subjected to impact loads. The work investigates the influences of changes in the shape factor, length and amount of fibers. The effects of these combinations on other basic properties of the composites, such as compression strength, split cylinder tensile strength, Young’s modulus and tenacity is also measured. Additionally, a comparison is made between the experimental results from the impact tests and the estimates obtained from a theoretical model that uses the discrete element method (DEM). This theoretical approach aimed to determine if the model was able to simulate the damage evolution over time generated by the increasing impacts loads, as well as to determine the total energy necessary to crack and break the specimens. The results obtained pointed out that the introduction of steel fibers does not affect the energy for the first crack but increases significantly the tenacity of the composite. Longer fibers, with greater shape factors, tend to be more efficient, provided that the fiber content is sufficiently high. The minimum recommended fiber content, according to the data from this research, may be around 100.000 fibers/m3, for longer fibers (50-60 mm). Or around 400.000 fibers/m3, for shorter fibers, which are not so efficient in terms of anchorage. The impact test method developed was considered adequate, being sensitive to the phenomenon and providing reliable data. The DEM model, however, needs to be refined to be able to deal with fiber concrete composites.

Quando o concreto é submetido a carregamentos especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias. Uma vez que o material não apresenta desempenho satisfatório à tração, seu comportamento frente a este tipo de carregamento acaba seriamente comprometido. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras de aço ao concreto. Ao adicionar estes elementos à matriz cimentícia, promove-se meios de transferência de tensões através das fissuras, aumentando a tenacidade do material, proporcionando mecanismos de absorção, relacionados com o desligamento e o arrancamento de fibras. Um número significativo de trabalhos experimentais envolvendo os mais diversos tipos de elementos estruturais reforçados com fibras de aço está disponível, havendo, no entanto, uma forte carência sob o ponto de vista de simulações numéricas. Buscando colaborar no desenvolvimento do material, o presente trabalho propõe a aplicação do Método dos Elementos Discretos para simulação do compósito submetido a carregamentos estáticos e dinâmicos. São realizadas alterações no algoritmo do método a fim de realizar a dispersão de fibras de aço na matriz de concreto. A análise das condições de contorno utilizadas em trabalho anterior revela a necessidade de aplicação de apoios elásticos sob pena de superestimar a rigidez do modelo. Os diagramas carga versus deslocamento que resultaram dos ensaios estáticos demonstram que o modelo criado é sensível à adição de fibras: maiores teores conduzem a modelos com maior tenacidade. O ensaio de impacto também se mostrou sensível e o padrão de fissuração encontrado nas simulações revelou uma boa aproximação com ensaios experimentais anteriores. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, some alterations in the concrete constitution need to be done, since the material don’t have an adequate behavior under tensile stress. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate steel fibers in the concrete matrix. Adding these elements, stress transference mechanisms along the cracks are promoted, increasing the material tenacity. An expressive number of experimental works involving all the kinds of steel fiber reinforced concrete structural elements are available. However, few researches based on numerical methods are found in the literature. In order to contribute with the data collection and the development of the material, the present research work proposes the application of the Discrete Element Method to simulate the composite subjected to static and dynamic loads. Some modifications are made on the method algorithm trying to create the dispersion of fibers in the concrete matrix. The analysis of the boundary conditions used on previous work reveal the importance of using elastic support to don’t overestimate the stiffness of the model. The diagram load versus displacement that came from the static simulations shows that the model is sensible to the addition of fibers: higher proportions of fiber leads to models with higher tenacity. The impact tests also demonstrate sensibility and the crack pattern found on the simulations presented a very good approximation to previous experimental work.

This work presents a black box identification for a continuous methanol-water distillation column setting in open loop and closed loop response. Step changes and Pseudo-Random Binary Signal (PRBS) disturbance were used to excite the plant. The mathematical models candidates to identify were the Artificial Neural Networks (ANN) and the parametric models: ARX(autoregressive with exogenous inputs ), ARMAX (AutoRegressive Moving Average with eXogenous inputs ), OE(Output Error) and the Box-Jenkins (BJ)structure. The closed loop configuration was the R-V. The results showed that for the bottom loop, the best response were given by BJ, OE and RNA for both open and closed loop response. For the top closed loop, the best responses were also given by BJ, OE and RNA while in open loop condition, the RNA was the one that gave satisfactory outcome. It was verified that the pseudo-random binary signal was a good choice of excitation signal in identification for both open loop and closed dynamic systems. / Foi realizado neste trabalho identificação caixa preta do processo de destilação Metanol-Água nas configurações malha aberta e malha fechada, utilizando como sinais de perturbação a função degrau e o Sinal Binário Pseudo-Aleatório (PRBS) para excitar a planta. Os modelos matemáticos candidatos a identificação foram as Redes Neurais Artificiais (RNA), e os modelos paramétricos discretos lineares autorregressivo com entradas externas (ARX do inglês AutoRegressive with eXogenous Inputs), autorregressivo com média móvel e entradas exógenas (ARMAX do inglês AutoRegressive Moving Average with eXogenous Inputs), modelo do tipo erro na saída (OE do inglês Output Error) e a estrutura Box-Jenkins (BJ). Com a disposição dos modelos, foram comparados quais dos modelos matemáticos candidatos à identificação melhor representa o processo coluna de destilação metanol-água. Comparou-se qual configuração do processo no ensaio de identificação para geração de dados apresenta mais vantagens, se em malha aberta ou em malha fechada, nas condições e metodologias utilizadas. Constatou-se a funcionalidade do sinal binário pseudo-aleatório como uma boa opção de excitação na identificação em malha aberta e fechada para sistemas dinâmicos.

Contact detection algorithms are needed in different areas of science and technology. From digital games and computer graphics to high-performance simulations and robotics. These algorithms require great computational effort and are prone to become the bottlenecks of its applications, even more when this computation must be done in real-time or large-scale systems. With the popularization of GPU cards use for both science and business, it is only natural that parallel implementations for this problem arise in the scientific community. In this work the main contact detection algorithms are analyzed and a numerical experiment is performed, with the goal of finding out which algorithm has better computational performance and memory use, or if they efficiency depends on different scenario features. For performing the experiment, a parallel Discrete ElementMethod application was developed using CUDA/C++ with the main algorithms presented in literature, besides these, the author proposes and implements the Sorting Contact Detection algorithm parallelization, that hadn’t been parallelized until now. The tests have found that the parallel Sorting Contact Detection algorithm is the most efficient in all studied scenarios, achieving a good performance and a superiormemory usage than its peers. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Algoritmos de detecção de contatos são necessários em diferentes áreas da ciência e tecnologia, de jogos digitais e computação gráfica à simulações de alto desempenho e robótica. Esses algoritmos exigem grande esforço computacional e tendem a ser os gargalos das aplicação as quais fazem parte, principalmente em sistemas de grande escala ou em tempo real. Com a popularização das placas GPUs para uso científico e comercial, é natural que surjam implementações paralelas para esse problema. Nesse trabalho os principais algoritmos de detecção de contatos para GPU são analisados e é realizado umexperimento numérico, com objetivo de descobrir qual algoritmo é o melhor emtermos de desempenho computacional e uso de memória, ou se a eficiência de cada umdepende das diferentes características do cenários. Para a realização do experimento, foi implementado em CUDA/C++ uma aplicação paralela doMétodo dos Elementos Discretos comos principais algoritmos apresentados na literatura, além desses o autor propõe e implementa a paralelização do algoritmo de detecção com ordenação e busca binária que ainda não havia sido paralelizado. Após os testes é constatado que o algoritmo com ordenação e busca é o mais eficiente para todos os cenários estudados, obtendo nos resultados um bom desempenho em tempo de execução e com uso de memória muito superior aos outros.

[pt] O método de exploração Sublevel Caving é um dos métodos de extração massiva mais usados na indústria mundial de exploração subterrânea, sendo considerado pela indústria de mineração, num futuro próximo dentre os substitutos naturais das atuais minas a céu aberto. Uma operação Sublevel Caving requer que o maciço rochoso circundante ao minério rompa continuamente e se movimente para dentro do espaço criado pela extração do minério. Análises existentes na literatura consideram apenas configurações parciais do processo Sublevel Caving sem considerar o processo evolutivo da extração, e o dano induzido ao maciço rochoso decorrente deste processo. Esta dissertação desenvolve uma modelagem numérica utilizando o método dos elementos discretos para simular o mecanismo de ruptura e a subsidência causada pelo método de exploração Sublevel Caving, analisando o referido efeito e suas consequências na evolução do mecanismo de ruptura e subsidência no Sublevel Caving. O software comercial Particle Flow Code (PFC2D) foi selecionado para esta modelagem devido à capacidade de simular, em um evento de excesso de tensão, o fraturamento do maciço rochoso e sua desintegração, desta forma, originam-se o fluxo do material e os deslocamentos em grande escala, os quais são considerados fenômenos físicos dominantes que regem a formação da subsidência e fraturamento num processo Sublevel Caving. Os resultados obtidos nesse estudo mostraram-se satisfatórios, reproduzindo adequadamente a superfície de subsidência induzida por Sublevel Caving, conseguindo-se uma simulação física realista da sua evolução desde o início do fraturamento até à subsidência final. / [en] The Sublevel Caving Method is one of the most massive extraction methods used in underground mining industry worldwide and is considered by the mining industry as one of the natural replacements of the current open cut mines in the near future. A Sublevel Caving operation requires that the rockmass surrounding the orebody continually fails and moves into the void created by ore extraction. This dissertation develops a modeling using the discrete element method to simulate the failure mechanism and subsidence caused by Sublevel Caving method. Analyses reported in the literature consider only partial configurations of process Sublevel Caving, without taking into consideration the excavation evolution process, and damage induced to the rock mass resulting from this process. This dissertation analyzes this effect and its consequences on the evolution of failure mechanism and subsidence in Sublevel Caving. Particle Flow Code (PFC2D) was selected for modeling because of its ability to simulate, if the event of excess stress, fracturing and disintegration of the rock mass and large-scale deformation and material flow, to be simulated, which are believed to be the dominant physical phenomena governing the formation of subsidence and fracturing of Sublevel Caving. The results obtained in this study were satisfactory, reproducing properly the surface subsidence induced by Sublevel Caving, allowing physically realistic simulation of its evolution since the beginning of the fracturing to final subsidence.

Diversos materiais de interesse tecnológico podem ser considerados como materiais heterogêneos, onde sua natureza aleatória deve ser considerada para representar corretamente o comportamento não-linear. A avaliação quantitativa do dano em materiais sujeitos a estados de tensão ou deformação tem grande importância devido ao caráter crítico desse fenômeno, que pode crescer de forma abrupta e resultar em uma falha catastrófica da estrutura. Em estudos anteriores, Carpinteri e seus colaboradores apresentaram diferentes aspectos relacionados à caracterização do dano em materiais heterogêneos. Três desses aspectos são discutidos neste trabalho: (i) a proposta do número de fragilidade como medida da fragilidade da estrutura em análise; (ii) a evolução da dimensão fractal em que o processo de dano é desenvolvido; (iii) e os índices globais obtidos pela análise de Emissão Acústica (EA). Neste trabalho, uma versão do método dos elementos discretos formado por barras é utilizada para explorar esses aspectos. Espécimes de material quase-frágil são simulados e, quando possível, os resultados numéricos são comparados com resultados experimentais. Além disso, a discussão dos resultados obtidos é realizada visando compreender o comportamento desse tipo de material, como por exemplo, o fato de que estruturas com diferentes dimensões, porém com o mesmo número de fragilidade, têm comportamentos similares. Ademais, o método numérico empregado é apresentado como uma ferramenta viável para complementar a informação obtida em ensaios experimentais na avaliação do processo de dano. Pelo sinal de EA obtido através do método numérico empregado, obtiveram-se parâmetros para a classificação do tipo de falha e para o cálculo do tensor momento, onde comparando os resultados obtidos pelo modelo numérico e pela EA se observam comportamentos coerentes. / Several materials with technological interest can be considered as heterogeneous materials, where their random nature must be accounted to correctly represent the nonlinear behavior. The quantitative evaluation of damage in materials subjected to stress or strain states have great importance due to the critical nature of this phenomenon, which abruptly can rise to catastrophic failure. In previous studies, Carpinteri and his coworkers have presented different aspects of the damage process characterization in heterogeneous materials. Three of these aspects are discussed in this work: (i) the brittleness number proposal to measure the brittleness level of the analyzed structure, (ii) the relationship of the fractal dimension in which the damage process is developed, (iii) and the global indexes obtained by the Acoustic Emission (AE) analysis. In the present work, a version of discrete element method formed by bars is used to explore these concepts. A set of quasi-brittle material specimen is simulated and, when possible, the numerical results are compared with experimental ones. Moreover, a discussion of the obtained results is carried out aiming to understand the behavior of this kind of material, for instance, the fact that structures with different dimensions, but with the same brittleness number, have similar behavior. In addition, the numerical method is presented as a viable tool to complement information from experimental test on the damage process. From the AE signal obtained by the numerical method, parameters to classify the type of crack and for calculating the moment tensor were obtained, where consistent behaviors are observed by comparing the results of the numerical model and the AE.

A ruptura de materiais heterogêneos quase frágeis, como o concreto, as cerâmicas e diferentes tipos de rochas, tem um comportamento mecânico complexo, foco de estudo de pesquisadores já há muito tempo. Uma ferramenta para simular o comportamento até ruptura destes tipos de materiais são os métodos de elementos discretos formados por barras (Discrete Element Method - DEM). Neste método as massas são concentradas em pontos nodais que estão ligados por meio de elementos unidimensionais caracterizados por relações constitutivas uniaxiais simples. Neste contexto, realizam-se novas implementações na versão do DEM com o intuito de estudar diversos aspectos dos materiais quase frágeis. Os principais focos da tese estão na desvinculação do nível de discretização do modelo do comprimento de correlação dos campos aleatórios que caracterizam as propriedades mecânicas. Através da interpretação dos resultados na simulação de emissão acústica é possível conhecer melhor o processo de dano neste tipo de material. Testes experimentais preliminares também são apresentados. Também são realizadas simulações em DEM utilizando carregamento biaxial, onde é explorado nessas simulações o comportamento dos modelos sob a ótica da técnica de emissão acústica. / The rupture of heterogeneous materials quasi-fragile, like concrete, ceramics and different types of rocks have a complex mechanical behavior, which has been the focus of study by researchers for a long time. The truss-like Discrete Element Method (DEM) was used to perform numerical simulations of the testing processes. The test results and the results of the numerical analyses, in terms of load vs. time diagram and AE data, as determined through b-value. In this context, new implementations in the version of DEM were realized with the objective to study the aspects of quasi-fragile materials. The main focuses of the thesis are in untying the level of discretization of the model of the correlation length from random fields which characterize the mechanical properties. And, through the interpretation of the results in the simulation of the acoustic emission, it is possible to better understand the process of damage in this type of material. Are also performed in DEM the biaxial loading, where is explored in this simulations the behavior of models from the point of view of the acoustic emission technique.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O gerenciamento do tempo nos projetos de construção civil usualmente utiliza algoritmos determinísticos para o cálculo dos prazos de finalização e algoritmos PERT para avaliação da probabilidade de o mesmo terminar até uma determinada data. Os resultados calculados pelos algoritmos tradicionais possuem defasagens nos prazos se comparados aos encontrados na realidade o que vem fazendo com que a simulação venha se tornando uma ferramenta cada vez mais utilizada no gerenciamento de projetos. O objetivo da dissertação é estudar o problema dos prazos de finalização dos projetos desenvolvendo novas técnicas de cálculo que reflitam melhor os prazos encontrados na vida real. A partir disso é criada uma ferramenta prática de gerenciamento do tempo de atividades de projetos de construção enxuta baseada em planilha eletrônica onde serão utilizadas técnicas de simulação a eventos discretos, com base em distribuições de probabilidade como, por exemplo, a distribuição beta. / Time management in construction projects usually use deterministic algorithms to calculate the time of fulfillment, and PERT algorithms to evaluate the probability of such project ending by a certain date. The results achieved by traditional algorithms are not accurate when compared to those found in the field, which is increasing the use of simulation as a tool in project management. The aim of this dissertation is to study the deadline fulfillment problems of projects, developing new calculation techniques that better represent the deadlines found in real life. For such study is developed a practical tool for time management of lean construction projects based on spreadsheet which will be used discrete event simulation techniques based in probability distributions, such as, the beta distribution.