Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:13:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329768.pdf: 6742978 bytes, checksum: 355846409af3fc8e4dc3075f15d55dec (MD5) Previous issue date: 2014 / Nesta Tese, trataremos do problema de controle realimentado de sistemas biológicos celulares, mais especificamente, do controle das chamadas redes de regulação gênica, segundo uma abordagem fundamentada na Teoria de Controle Supervisório (TCS).A capacidade de reprogramar o comportamento das redes de regulação gênica, elementos determinantes da dinâmica celular, encontra aplicações em áreas como produção otimizada de biocombustíveis, tratamento de doenças como o câncer e síntese de tecidos e órgãos humanos in vitro. Basicamente, duas abordagens podem ser adotadas para controlar redes biológicas intracelulares. Uma delas baseia-se no emprego de dispositivos técnicos externos à célula, como equipamentos de microscopia, computadores e sistemas de microfluídica. A segunda estratégia prefere fazer uso exclusivo de moléculas sintéticas que, inseridas no meio intracelular, desempenham as funções de sensores, controladores e atuadores. Utilizaremos a última das abordagens mencionadas e mostraremos como ideias advindas da TCS podem ser empregadas para definir os critérios de projeto de tais moléculas sintéticas controladoras, capazes de alterar a dinâmica de redes de regulação gênica de maneira pré-determinada. Para tanto, partiremos de um modelo em autômato finito da rede a ser controlada, adicionando a esse autômato os eventos e estados decorrentes das possíveis ações de moléculas sintéticas. Sobre esse novo modelo, resolveremos uma tarefa de controle conhecida na literatura como atração de estados, em que o sistema deve ser levado de um estado inicial a um conjunto de estados-alvo, mantendo-se ali indefinidamente. O supervisor resultante da resolução do problema será convertido, então, em critérios de projeto de moléculas sintéticas. A Tese traz contribuições à TCS e propõe uma formalização inédita para o problema de controle de redes de regulação gênica por moléculas sintéticas. No campo da TCS, estendemos a resolução do problema de atração de estados para o caso em que os eventos da planta, além de serem particionados em controláveis ou não controláveis, são também divididos em forçáveis ou não forçáveis e, por fim, preemptáveis ou não preemptáveis. Esse rico particionamento, como detalhado na Tese, decorre de hipóteses bem fundamentadas biologicamente acerca da dinâmica dos processos de expressão gênica e da forma de intervenção no comportamento celular por nós adotada. Ainda no âmbito do Controle Supervisório, mostramos como conceitos provenientes da teoria de Controle Hierárquico - como abstração por agregação de estados e consistência hierárquica - naturalmente aparecem na resolução do problema de controle de redes de regulação gênica por moléculas sintéticas. A Tese mostra, também, como projetar controladores que induzem o menor consumo de energia celular possível e que sejam realizados por moléculas sintéticas de fácil construção. Por sua vez, a formalização do problema de controle de redes gênicas por moléculas sintéticas como um problema da Teoria de Controle é nova na literatura, haja vista que os estudos correlatos até então divulgados não adotam métodos da Teoria de Controle para sua resolução, o que dificulta a extensão dessas abordagens para alterar o comportamento de redes de regulação com dinâmicas mais complexas.<br> / Abstract: In this thesis, we tackle the issue of feedback control of intracellular biological networks, namely, the control of gene regulatory networks within a perspective founded on Supervisory Control Theory (SCT).The ability to reprogram the behavior of gene networks, major players in cell dynamics, might be employed, for instance, to optimize the production of biofuels, to treat and cure diseases, such as cancer, and to synthesize human tissues and organs in vitro. Two approaches can be adopted to control the dynamics of intracellular networks. The first one employs external technical hardware to close the loop, e.g. microscopy equipment, microfluidics devices and computers. The second, on the other hand, makes use only of synthetic biomolecules that, when inserted in the cell, perform the major tasks of a control system: sensing, control and actuation. We adopt the second of the mentioned strategies and show how ideas from SCT can be employed to define design criteria of synthetic biomolecules that are able to alter cell dynamics, so to achieve a set of specifications. In order to do so, we start with a finite state machine model of the native gene network to be controlled and update this model with the new states (and events) that can be achieved (generated) by programmable synthetic biomolecules. This enlarged model is used to solve a control task known as state attraction, which can be stated as follows: find a supervisor that brings the system from an initial state to a set of target states, keeping it there indefinitely. This supervisor is then translated into design criteria of synthetic biomolecules. Our thesis brings theoretical contributions to SCT and proposes a novel approach to formalize the control of gene networks by means of synthetic biomolecules. In the field of SCT, we extend the solution of the state attraction problem for the case where plant events, besides being partitioned into controllable and uncontrollable ones, are also divided into forcible and non forcible, preemptable and non preemptable. This rich partition, as shown throughout the thesis, is a result of concrete biological assumptions regarding the dynamics of native and synthetic genes. Still concerning the field of SCT, we show how concepts from Hierarchical Control Theory - e.g. abstraction by state aggregation and hierarchical consistency - naturally appear in the process of finding a solution for the posed control problem. The thesis shows also how to design controllers that minimize the energy consumption and that are implemented by synthetic biomolecules that are more easily constructed. The formalization we propose for the control of gene networks with synthetic genes as a control problem is new in the literature, given that the results concerning the intervention in the dynamics of biological networks by means of synthetic molecules do not adopt procedures from Control Theory to solve the problem, thus making it harder to extend such approaches to networks with a more complex dynamics.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-03-18T20:59:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 332304.pdf: 891756 bytes, checksum: 2a22c627634d49db4b7eeadea8af3c87 (MD5) / Nesta dissertação, propomos uma abordagem para a síntese local de supervisores modulares no contexto de sistemas a eventos discretos temporizados. O objetivo é reduzir o custo computacional na aplicação da teoria de controle supervisório a essa classe de sistemas, haja vista a dificuldade imposta pela explosão no número de estados dos modelos em sistemas de grande porte. Em grande parte dos problemas complexos envolvendo sistemas temporizados, a planta a ser controlada é composta de subsistemas que operam de maneira assíncrona a menos do compartilhamento de um relógio global. Ademais, o comportamento desejado é normalmente colocado na forma de especificações de controle elementares, cada uma das quais visa sincronizar e restringir o comportamento de apenas alguns dos subsistemas da planta. A ideia da metodologia de controle aqui apresentada é explorar tanto a modularidade das especificações quanto a do próprio sistema. Nossos supervisores são calculados com base em modelos locais, construídos pela agregação dos subsistemas que são afetados por cada especificação. Isso leva a módulos de controle nos quais a ação dos supervisores é relativamente simples, baseada apenas em informações locais, o que facilita sua compreensão, implementação e modificação. Apresentamos condições necessárias e suficientes sob as quais a ação conjunta dos supervisores locais leva o sistema a um comportamento global não bloqueante e que cumpre as especificações de forma ótima (minimamente restritiva). Mostramos, ainda, que a abordagem proposta reduz o custo computacional quando comparada a outras existentes. Por fim, um exemplo de interesse prático e com rígidas restrições temporais é resolvido, ilustrando a aplicabilidade da metodologia proposta.<br> / Abstract : In this thesis, an approach is proposed for the local synthesis of modular supervisors in the context of timed discrete-event systems. The objective is to reduce computational costs for the application of timed supervisory control, in face of the hindrances imposed by state explosion in the models of large scale systems. In a wide variety of complex problems involving timing issues, the plant to be controlled is composed of subsystems that work asynchronously except for the sharing of a global clock. Moreover, the desired behavior for the plant is usually represented by a number of elementary control specifications, each of which attempts to restrict and synchronize the behavior of only some of the system's components. The idea of our control methodology is to explore the modularity of both the specifications and the system itself. Our supervisors are designed over local models, which are obtained by aggregating the subsystems affected by each specification. This results in control modules with relatively simple supervisory actions, based only on local information, which makes the supervisors easier to comprehend, implement, and modify. We present necessary and suficient conditions under which the concurrent action of the local supervisors leads the system to a nonblocking global behavior that complies with the specifications in an optimal (minimally restrictive) way. We also show that the proposed strategy reduces computational efforts in comparison with existing ones. Finally, a practical problem with critical time restrictions is solved to exemplify an application of the proposed control methodology.

O principal objetivo desta tese é o desenvolvimento e implementação de um modelo teórico que prediz o comportamento até e após a resposta máxima de estruturas laminares de concreto armado submetidas a cargas de curta duração. Como um subproduto deste trabalho foi feita a representação de estruturas laminares elastoplásticas sujeitas a cargas impulsivas. Avanços similares foram registrados na predição da capacidade de carga do concreto submetido a um estado plano de tensões, assim como na descrição das características da interação entre o aço e o concreto. A discretização espacial consiste em um arranjo de barras de treliça com rigidez equivalente ao continuo que se quer representar. As massas são concentradas nos nós e as equações de movimento são integradas explicitamente no domínio do tempo. Aplicações do Método dos Elementos Discretos (DEM) proposto ao cálculo de estruturas laminares elastoplásticas são apresentados. Propõe-se um procedimento para considerar na análise a condição de incompressibilidade no fluxo plástico. O modelo reconhece a não homogeneidade intrínseca do concreto, a qual é levada em conta por simulação. Os requisitos básicos da teoria da fratura são cumpridos usando o critério de Hillerborg. São apresentadas também as análises de uma viga, uma placa e uma casca de concreto armado submetidas a cargas impulsivas. Os resultados obtidos são comparados com resultados experimentais, os quais mostram as vantagens do método utilizado. / The main objective of this thesis is the development and implementation of a theoretical model to predict the behaviour up to and beyond the peak response of laminar reinforced concrete structures submited to short duration loadings. As by product of this is work, progress in the representation of elastoplastic shell structures subjected to impulsive loading was achieved. Similar advances were registered in the prediction of concrete capacity under plane stress, as well as in the description of interaction effects between concrete and steel reinforcement. The spatial discretization consists of an array of unidimensional elements in three dimensional cubic lattice model. The stiffness of the elements is determinated so that the modeled continuum presents the same stiffness coefficients. Masses are lumped at the nodal points and the equations of motions integrated explicity in the time domain. Aplications of the proposedl Discrete Element Methods (DEM) to elastoplastic shell structures are shown. Procedure is proposed to consider in the analysis the incompressibility condition in the plaslic flow. The model recognizes the intrinsic non homogeneity of concrete, wich is taken into account by simulation. The basic requirement of fracture theorie are met by using Hillerborg - type criteria. Detailed analysis of a reinforced concrete beams, plate and shell under impact anel impulsive loading are presented and compared with the experimental results, wich shows the advantages of the method.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:15:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 323921.pdf: 1020920 bytes, checksum: 195abb89ab3843589701c3ceadefce33 (MD5) Previous issue date: 2013 / Esta tese de doutorado investiga dois aspectos relevantes na Teoria do Controle Supervisório (TCS) de Sistemas a Eventos Discretos (SEDs): (i) o grau de dificuldade enfrentado ao modelar especificações para serem cumpridas pelo sistema sob controle; (ii) a complexidade computacional do procedimento de síntese de uma solução para o Problema do Controle Supervisório (PCS). Para tratar desses aspectos, são propostas duas diferentes abordagens: o uso de Distinguidores e o uso de Autômatos Finitos Estendidos (AFEs). A abordagem com distinguidores consiste em refinar o conjunto original de eventos do modelo de um SED, em um novo conjunto. Cada refinamento é apropriadamente escolhido para identificar uma instância particular em que o evento original ocorre no sistema. Então, um mapa chamado Distinguidor é proposto para estabelecer a relação entre as cadeias dos alfabetos original e refinado. Fazendo-se uso de eventos refinados, pode-se simplificar a modelagem de especificações de controle cuja representação seria bastante complexa no alfabeto original. Além disso, é mostrado que resolver o PCS usando distinguidores leva diretamente à solução ótima de controle, porém, sem vantagens computacionais na síntese em relação ao método não-refinado. Nesse sentido, é também mostrado como construir aproximações para o modelo refinado de um SED. Ao serem usadas na síntese de supervisores, as aproximações permitem reduzir o custo computacional do procedimento, ao mesmo tempo em que permitem preservar a controlabilidade, a máxima permissividade e o não-bloqueio da solução de controle. A segunda proposta a ser apresentada consiste em modelar um SED através de AFEs. Os AFEs são estruturas de estados cujas transições são estendidas com fórmulas que atualizam variáveis de tal modo que seus valores passam a fazer parte dos estados. Assim, fazendo-se uso de valores de variáveis, pode-se facilmente expressar a semântica de uma especificação através de condições lógicas, implementadas sobre o modelo de um SED. Mostra-se que o uso de AFEs leva diretamente à solução ótima para o PCS a qual, no entanto, é obtida sem vantagens computacionais, em relação ao método convencional. Isso ocorre, porque os valores das variáveis, ainda que implícitos no modelo do sistema, precisam ser considerados na síntese, o que elimina possíveis ganhos trazidos pela simplificação da modelagem. Nesse sentido, propõe-se um método para abstrair certas variáveis no AFE que modela um SED. Ao serem usadas na síntese, tais abstrações reduzem o custo computacional do procedimento, ao mesmo tempo em que permitem preservar a controlabilidade, a máxima permissividade e o não-bloqueio da solução de controle. Um algoritmo para obter supervisores, a partir de AFEs, também é apresentado e ilustrado por meio de um exemplo. Sempre que possível, as duas abordagens propostas são comparadas e ilustradas por exemplos. Em particular, o exemplo de um sistema de manufatura é adotado ao longo da tese para permitir a análise dos diferentes métodos de síntese. Como contribuição final, propõe-se associar o uso de distinguidores a um método descentralizado de síntese, em particular ao Controle Modular Local (CML). Inicialmente, mostra-se que o uso direto de distinguidores, em geral, complexifica a resolução do CML. Essa inconveniência é mitigada pela síntese combinada, um método por meio do qual supervisores locais são obtidos usando distinguidores apenas quando apropriado. Esse método leva a um comportamento global controlado que é equivalente ao CML original, porém, que também é processado com equivalente custo computacional. Nesse sentido, mostra-se ainda como combinar vantagens do CML, de distinguidores e de aproximações. O mesmo exemplo do sistema de manufatura ilustra essa contribuição final.<br>

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-21T06:29:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 197865.pdf: 1945179 bytes, checksum: 57d797522fd4854fdc8d15ab490fa15c (MD5) / A presente pesquisa contribui para o projeto conceitual de sistemas de manipulação e montagem automatizados. A abordagem desenvolvida baseia-se na execução simultânea dos projetos da parte física e de controle de forma a obter uma abordagem integrada conferindo economia de tempo e recursos. Objetiva-se com esta abordagem diminuir o ciclo de desenvolvimento de projeto dos sistemas tratados e ao mesmo tempo aumentar a confiabilidade destes, acarretando uma diminuição do esforço de implementação, integração, testes e manutenção. Nesse sentido, ferramentas formais de análise e síntese são utilizadas no processo de projeto, atendendo à nova proposta do presente trabalho. A etapa de descrição funcional, pertencente ao projeto conceitual, é analisada através de diversos modelos encontrados na literatura, resultando na identificação do poder de representação e das limitações de uso. Um modelo de descrição funcional analisado, a rede Canal Agência, é selecionado em função de sua adequação aos objetivos do presente trabalho. Tal modelo possibilita um tratamento coerente da descrição funcional com o modelo comportamental empregado. Este modelo, oriundo da área de sistemas a eventos discretos, baseado em autômatos e linguagens controláveis, é usado para propiciar um processo automático de síntese de supervisores, ao invés dos usuais procedimentos manuais ou heurísticos. Além desta vantagem, o procedimento de síntese de controladores tem a grande conveniência de ser baseado no modelo da dinâmica do sistema em malha aberta e na especificação do comportamento desejado. Esta abordagem insere a perspectiva comportamental do sistema. Seguindo os fundamentos do presente trabalho consegue-se estabelecer uma metodologia adequada para sistemas de manipulação e montagem automatizados, inserindo conceitos e necessidades próprias.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-22T01:32:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 207801.pdf: 451649 bytes, checksum: 68552b22d252f7e4d6735e5ef998d27d (MD5) / O presente trabalho visa o desenvolvimento e implementação de algoritmos envolvidos na síntese de supervisores modulares para sistemas modelados através do paradigma de sistemas condição/evento (C/E). Os sistemas condição/evento consistem em uma classe de sistemas a eventos discretos em tempo contínuo, que permitem a modelagem e a análise de sistemas de tempo contínuo como a interconexão de subsistemas com sinais de entrada e saída discretos. Nesta abordagem, pode-se modelar o sistema de modo que os eventos sejam associados a saídas da planta (por exemplo, sinais de sensores) e os comandos gerados pelo agente de controle sejam associados a entradas da planta (condições), o que permite obter modelos cujos sinais de entrada e saída sejam mais próximos aos reais. Além disto, ela se adapta perfeitamente tanto à modelagem de sistemas a eventos discretos (SEDs) quanto à modelagem de sistemas híbridos (SHs) e possibilita que a modelagem destes sistemas seja feita através de diagramas de blocos e de fluxos de sinais, tal como ocorre normalmente na teoria de sistemas. O problema de controle supervisório modular é formulado através do paradigma de modelagem de sistemas C/E, e é resolvido através da teoria de controle supervisório de SEDs. Baseado no contexto da metodologia proposta, algoritmos foram desenvolvidos e implementados, formando uma ferramenta computacional que reúne as funções necessárias para a síntese de supervisores para sistemas modelados através deste paradigma. Um exemplo prático é utilizado para ilustrar a utilização da ferramenta para a resolução de um problema de controle supervisório modular.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. / Made available in DSpace on 2012-10-18T12:10:30Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-26T00:46:21Z : No. of bitstreams: 1 177020.pdf: 2271890 bytes, checksum: ac314eb9d1adcd654f5be08de78fc599 (MD5) / Dado (A,G,a) um C* sistema dinâmico, estudaremos o produto cruzado da C*-algebra A pelo grupo discreto G pela ação a de G em A. Como dada uma ação parcial de G em um espaço de Hausdorff localmente compacto X, existe uma ação parcial de G na C*-algebra C0(X) associada, e a recíproca também vale, vamos provar que se uma ação parcial é topologicamente livre e minimal em X, então o produto cruzado reduzido associado é simples, [1]. É claro que antes disto precisamos introduzir as noções de produto cruzado por ações parciais e produto cruzado reduzido. Por último, aplicaremos este resultado para alguns exemplos.

A caracterização mecânica de materiais compósitos a nível micro-mecânico é de difícil realização utilizando a experimentação física. Neste sentido, a mecânica computacional se apresenta como uma ferramenta de grandes possibilidades. Particularmente o método dos elementos discretos (MED), por suas características, constitui uma ferramenta numérica de potencial aplicação na modelagem de fenômenos de fratura. No presente trabalho, é estudado o micromecanismo de fratura de um ferro fundido nodular ferrítico FFNF utilizando-se como variável de dano a fração de volume de vazios. Para a realização desse estudo é determinado um elemento de volume representativo (EVR) do FFNF através de modelos em duas dimensões desenvolvidos pelo método dos elementos discretos (MED). No modelos computacionais foi considerada uma pseudo-microestrutura de FFNF constituída de uma matriz homogênea na qual estão embutidos nódulos de grafite circulares, todos de um mesmo diâmetro. A distribuição espacial dos nódulos respeita as condições de vizinhança características de distribuições de nódulos reais. A determinação do EVR em regime não linear impõe a necessidade de se estabelecerem critérios em relação à utilização de tolerâncias na determinação das propriedades efetivas, pois o grau de dispersão nos volumes de controle analisados, não é desprezível. No entanto, testes preliminares no estudo da micro-mecânica de fratura em um elemento de volume representativo do material considerado neste trabalho, descrevem de maneira coerente o processo de dano desse material, o qual mostra a eficácia do método nas etapas posteriores, direcionadas a relacionar parâmetros micro-mecânicos de fratura com parâmetros macro-mecânicos da mecânica da fratura convencional. / The mechanical characterization of composite materials at a micro-mechanical level becomes a difficult task using physical experimentation. In this sense computational mechanics is introduced as a tool with great possibilities. Particularly the discrete elements method, due to its characteristics, is presented as a numerical tool of potential application in fracture micromechanisms modeling. This work presents the study of fracture micro-mechanism of a ferritic nodular cast iron (FNCI) using the void volume fraction as the damage variable. A representative volume element (RVE) of FNCI by two dimension models using the discrete elements method (DEM) is obtained, in which it is considered a pseudo-microstructure with homogeneous matrix where the graphite nodules, with circular shape and equal diameter, are embedded. In the pseudomicrostructure graphite nodules distribution, were considered the neighboring conditions characteristic of real nodules distributions. The determination of the RVE in a non-linear regime imposes the need to establish criteria in relation to the use of tolerances in the determination of the effective properties, since the dispersion degree in the analyzed control volumes is significant, however, preliminary tests in the study of fracture micro-mechanics in a volume element representative of the material considered for this work, describe in a coherent way the damage process of this material, which shows the effectiveness of the method in posterior steps, directed to relate fracture micro-mechanical parameters with conventional fracture mechanics parameters.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-08-07T13:56:25Z No. of bitstreams: 1 2017_LuisDavidMedinaChaparro.pdf: 3917456 bytes, checksum: 4660dd0ad1f3da548cad109bce6398ad (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-09-11T22:09:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_LuisDavidMedinaChaparro.pdf: 3917456 bytes, checksum: 4660dd0ad1f3da548cad109bce6398ad (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-11T22:09:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_LuisDavidMedinaChaparro.pdf: 3917456 bytes, checksum: 4660dd0ad1f3da548cad109bce6398ad (MD5) Previous issue date: 2017-09-11 / O objetivo principal desta pesquisa é contribuir para o entendimento do comportamento de resistência e deformabilidade de rochas sãs, com base em uma abordagem discreta, utilizando o Método dos Elementos Discretos (DEM) e modelos de contato e de cimentação entre grãos adequados para este tipo de geomaterial. Para tanto, tomou-se como base uma série de ensaios laboratoriais disponíveis na literatura internacional. Os dados são relativos a uma rocha magmática, conhecida como granito do Lago de Bonnet (Lac du Bonnet granite), e incluem resultados de ensaios de compressão simples, resistência à tração por compressão diametral e triaxiais convencionais. Nesta dissertação foram reproduzidos os ensaios de compressão simples e tração indireta. Para realização das análises via DEM adotou-se o software STAR-CCM+, que é um programa relativamente novo, com uma boa base de modelos e foi disponibilizado para avaliação pelos fornecedores. O primeiro desafio é gerar um pacote de partículas com uma distribuição espacial de cimentação que seja computacionalmente aceitável e que possa reproduzir os parâmetros macroscópicos de deformabilidade e de resistência observados nos ensaios. Amostras cilíndricas de 60 mm de altura por 30 mm de diâmetro foram geradas com uma combinação de técnicas, conhecidas por oversetting e trimmed mesh, e o empacotamento denso de partículas foi obtido por deposição gravitacional em camadas. Foram utilizadas cerca de 5000 partículas esféricas com diâmetro médio de 2,12 mm para viabilizar o tempo de cálculo. Um segundo passo crítico consiste na escolha dos modelos de contato. Foram testados o modelo sem deslizamento de Hertz-Mindlin e o modelo linear tradicional. Para a ligação entre partículas adotou-se o modelo de partículas cimentadas BPM (Bonded Particle Model), baseado na teoria de vigas. Os melhores resultados foram obtidos com a combinação do modelo de contato linear com o BPM, com os quais foi possível reproduzir qualitativamente e quantitativamente os diversos estágios de evolução de dano numa amostra de rocha sujeita a compressão simples. Estes estágios incluem uma acomodação inicial, uma fase linear elástica, uma fase de iniciação estável de fissuras, uma fase de fissuramento instável com dilatância volumétrica, chegando ao pico de resistência, seguido de uma ruptura frágil pós-pico. A identificação destes estágios está diretamente relacionada com a evolução das quebras de cimentação entre os grãos. O mesmo conjunto de parâmetros calibrado para o ensaio de compressão simples foi usado para reprodução dos ensaios de tração indireta. O mecanismo de ruptura neste ensaio foi reproduzido adequadamente, porém o valor de resistência à tração foi superestimado em função de se ter adotado o mesmo valor de resistência para a cimentação sob tração e cisalhamento. Finalmente, fez-se uma análise paramétrica da influência do módulo de Young e do tamanho das partículas em algumas propriedades macroscópicas adotadas em modelos fenomenológicos do tipo elástico perfeitamente plástico. Desta análise conclui-se que a resistência a compressão da amostra aumenta e a deformação na ruptura diminui com o aumento da rigidez dos grãos. Conclui-se também que a resistência à tração aumenta, enquanto a resistência a compressão e o módulo de Young macroscópicos diminuem à medida que se aumenta o tamanho dos grãos, mantendo-se constante o tamanho da amostra. Foram estabelecidas equações de ajuste logarítmicas para estas relações, as quais apresentam dispersão crescente à medida que se aumenta o tamanho dos grãos. A partir destas relações fica evidente que a abordagem contínua pode ser utilizada quando da relação entre o diâmetro da amostra e o diâmetro do grão excede cerca de 20 vezes; caso contrário deve-se dar preferência a uma abordagem discreta, a depender da propriedade de interesse. / The main objective of this research is gaining insight about characteristics of deformability and strength of sound rock samples. A discrete numerical approach based on the Discrete Element Method (DEM), together with appropriate particle contact and bonding models, is adopted. Laboratory data available in international literature is used to calibrate the models. These data include unconfined compression, indirect tensile and conventional triaxial tests carried out in Lac du Bonnet granite. Unconfined compression and indirect tensile tests were simulate using STAR-CCM+, a relatively new software, with a good library of contact models. The first challenge is to generate a dense packing of spherical particles with a spatial distribution of particle bonds, capable of reproducing the observed macroscopic behavior in an acceptable computational time. Cylindrical samples, 60 mm in height by 30 mm in diameter, were generated using a combination of oversetting and trimmed mesh techniques. The cylinder was filled with a dense packing of 5000 particles with an average diameter of 2.12 mm, using gravity deposition in successive layers. The second critical step is the definition of the interparticle models. The simple linear and the no-slip Hertz-Mindlin contact models were evaluated in combination with the BPM (Bonded Particle Model) for the cementation. The best results were with achieved with linear contact plus BPM combination, which reproduced accurately, qualitatively as well as quantitatively, the several stages of damage evolution within a sample of rock under unconfined compression. These stages include an initial accommodation, a linear elastic section, a region of crack initiation, then an unstable crack propagation stage with volumetric dilatance, followed by the peak strength and a post-peak fragile failure. It was found that the identification of these stages bear close relation with the plot of evolution of debonding between particles in the numerical test. The same set of parameters calibrated from simple compression tests was used during the simulation of the Brazilian indirect tensile test. The failure mechanism during this test was accurately reproduced, but the tensile strength was overestimated, because the same microscopic strength parameter was used for the cementation under tension and shearing. Finally, a parametric analysis was carried out to verify the influence of grain parameters, such as Young modulus and particle size, on the macroscopic parameters of the elastic perfectly plastic Mohr-Coulomb model. It could be observed that unconfined strength increases and the strain level at failure decreases for increasing values of particle Young modulus. It was also noticed that the tensile strength increases, while the unconfined strength and overall Young modulus decreases, for increasing grain diameters, provided that the sample diameter is kept constant. Logarithmic regression curves were adjusted for these relations, which also show higher dispersion around the mean value as the grain size increases. Based on these evidences, it is concluded that a continuum approach may be justified when the sample diameter exceeds about twenty times the grain size diameter; otherwise a discrete approach should be preferred depending on the property under investigation.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-07-10Bitstream added on 2014-06-13T18:49:40Z : No. of bitstreams: 1 caun_ap_me_ilha.pdf: 919724 bytes, checksum: afeca633ca3cfd0780cb33c363186934 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta uma nova estratégia de controle discreto. A técnica é baseada em Modos Deslizantes Discretos, utilizando uma lei de controle suave. Quando um algoritmo de controle é implementado em um computador digital, existe um atraso no tempo de computação, devido ao tempo de execução das instruções. Neste trabalho, vamos assumir que estes atrasos são constantes e menores que um período de amostragem. A presença do atraso no tempo de computação não apenas reduz a estabilidade e robustez, mas também degrada a performance de controle. O novo controlador proposto é projetado para atuar na presença destes atrasos, melhorando substancialmente o desempenho do controle. Outra propriedade importante deste controlador é a possibilidade de trabalhar com períodos de amostragem mais altos, garantindo o uso de freqüências mais baixas de processamento, ou seja, proporcionando uma economia do hardware de atuação. A nova lei de controle proposta foi aplicada na estabilização de quatro sistemas incertos e de natureza instável: Sistema Bola e Viga, Sistema Pêndulo Invertido Linear, Sistema Pêndulo Invertido Rotacional e Sistema Pêndulo Invertido Rotacional Duplo. Resultados das simulações são apresentados e comparados com resultados de outro controlador de Modo Deslizante, proposto na literatura, caracterizando um estudo comparativo, onde a eficácia do novo controlador projetado se mostra evidente, devido a seu algoritmo de fácil elaboração prática. Para melhor visualização do comportamento dos sistemas estudados e visando a contribuição no aprendizado de sistemas de controle, modelos de animação em três dimensões foram utilizados. / This work presents a new strategy of discrete-time control. The technique is based on Discrete-Time Sliding Modes, using a smooth control law. When a control algorithm is implemented in a digital computer, there is a computation time delay, due the execution time of the instructions. In this work, we go to assume that these delays are constant and smaller than a sampling period. The presence of the computation time delay not only reduces the stability and robustness, but also degrades the control performance. The new considered controller is projected to work in the presence of these delays, improving substantially the performance of the control. Another important property of this controller is the possibility to work with higher sampling periods, guaranteeing the use of lower frequencies of processing, providing an economy of the actuation hardware. The new control law proposal was applied in the stabilization of four uncertain systems with unstable nature: Ball and Beam System, Linear Inverted Pendulum System, Rotational Inverted Pendulum System and Double Rotational Inverted Pendulum System. Simulations results are presented and compared with results of other Sliding Mode controller, proposed in the literature, characterizing a comparative study, where the effectiveness of the new designed controller shows evident, due your algorithm of easy practical elaboration. For better visualization of the behavior of the systems studied and aiming at the contribution in the learning of control systems, models of animation in three dimensions had been used.