O presente trabalho aborda o estudo do comportamento de túneis em maciços de solo. É dada ênfase na aplicação de análises numéricas com emprego de diferentes modelos constitutivos elasto-plásticos para solos. São apresentadas análises numéricas tridimensionais de um túnel amplamente instrumentado pertencente à Companhia do Metropolitano de São Paulo. As análises são realizadas com auxílio de um programa computacional de elementos finitos. O comportamento do maciço em pontos situados ao redor da escavação é minuciosamente estudado e a capacidade dos modelos em representar adequadamente o comportamento verificado na obra pelas instrumentações é avaliada. Além das análises numéricas o trabalho aborda os principais conceitos relacionados com escavações de túneis em maciços de solo. Conceitos relacionados com a engenharia prática de túneis são apresentados de maneira qualitativa, sem formulações teóricas e matemáticas. Uma revisão bibliográfica com publicações recentes das principais revistas e periódicos que tratam do tema de análise numérica aplicada a túneis é apresentada. O trabalho também apresenta uma revisão dos principais conceitos relacionados com os modelos constitutivos comumente utilizados para análise de problemas de geotecnia. Além do modelo elástico são apresentados os modelos elasto-plásticos de Tresca, von Misses, Drucker-Prager e Mohr-Coulomb. Uma breve introdução aos conceitos básicos de estado crítico, juntamente com as equações do modelo Cam-Clay original e Cam-Clay modificado são apresentadas. Antes da apresentação das equações desses modelos constitutivos, são introduzidos os conceitos básicos relacionados com o comportamento dos materiais elasto-plásticos. Os conceitos de material elástico perfeitamente plástico e de material com endurecimento (ou hardening) e amolecimento (ou softening) são apresentados. Os conceitos de superfície de plastificação e de superfície de potencial plástico também são apresentados. Por fim, são sintetizados os pontos mais relevantes da pesquisa realizada, apontando as limitações do trabalho com sugestões de novos estudos a serem realizados nessa mesma linha de pesquisa. / The present research approaches the study of the behaviour of tunnels in soil. It is given emphasis in the application of numerical analyses using different elasto-plastic constitutive models for soils. Three-dimensional numerical analyses of a widely instrumented tunnel belonging to the Company of the Metropolitan of São Paulo are presented. The analyses are carried through with aid of a computational program of finite elements. The behaviour of the soil mass in points located around the excavation is thoroughly studied and the capacity of the models in adequately representing the field behavior verified by the instrumentations is evaluated. Furthermore, the work approaches the main concepts related to tunneling in soils. Concepts related to practical engineering of tunnels are presented in a qualitative way, without theoretical and mathematical formulations. A literature review of recent publications of the most important periodic magazines and that deal with the subject of numerical analysis applied to tunnels is presented. The work also presents a revision of the main concepts related to the constitutive models normally used for analysis of geotechnical problems. Beyond the elastic model the elasto-plastics models of Tresca, von Misses, Drucker-Prager and Mohr-Coulomb are presented. Brief introductions to the basic concepts of critical state, together with the equations of the (original) Cam-Clay original and (modified) Cam-Clay modified models are presented. Before the presentation of the equations of these constitutive models, the basic concepts of the behaviour of the elasto-plastics materials are introduced. The concepts of perfectly plastic elastic material and material with hardening and softening are presented. The concepts of plastic surface and plastic potencial surface are also presented. Finally, the most relevant points of the research are synthesized, pointing the limitations of the developed work along with suggestions for new studies to be carried through in this line of research.

[pt] O presente trabalho apresenta uma técnica numérica geral para a aproximação da solução do problema de evolução quasi-estático em treliças elasto-plásticas com dano. Uma formulação geral e abstrata é apresentada e uma técnica numérica simples, baseada na técnica de decomposição do operador com um algoritmo sequencial associado, é proposta. Alguns exemplos tratando da análise de falha de treliças metálicas são usados para mostrar a efetividade do método. / [en] This work is corcerned with a general numerical technique for approximating the solution of quase-static evolution problems in damageable elasto-plastic trusses. An abstract and general formulation of the problem is presented and a simple numerical technique based on the operator splitting technique associated with a product formula algorithm is proposed. Some examples concerning the failure analysis of metallic trusses are used to show the effectiveness of the method.

O presente trabalho aborda o estudo do comportamento de túneis em maciços de solo. É dada ênfase na aplicação de análises numéricas com emprego de diferentes modelos constitutivos elasto-plásticos para solos. São apresentadas análises numéricas tridimensionais de um túnel amplamente instrumentado pertencente à Companhia do Metropolitano de São Paulo. As análises são realizadas com auxílio de um programa computacional de elementos finitos. O comportamento do maciço em pontos situados ao redor da escavação é minuciosamente estudado e a capacidade dos modelos em representar adequadamente o comportamento verificado na obra pelas instrumentações é avaliada. Além das análises numéricas o trabalho aborda os principais conceitos relacionados com escavações de túneis em maciços de solo. Conceitos relacionados com a engenharia prática de túneis são apresentados de maneira qualitativa, sem formulações teóricas e matemáticas. Uma revisão bibliográfica com publicações recentes das principais revistas e periódicos que tratam do tema de análise numérica aplicada a túneis é apresentada. O trabalho também apresenta uma revisão dos principais conceitos relacionados com os modelos constitutivos comumente utilizados para análise de problemas de geotecnia. Além do modelo elástico são apresentados os modelos elasto-plásticos de Tresca, von Misses, Drucker-Prager e Mohr-Coulomb. Uma breve introdução aos conceitos básicos de estado crítico, juntamente com as equações do modelo Cam-Clay original e Cam-Clay modificado são apresentadas. Antes da apresentação das equações desses modelos constitutivos, são introduzidos os conceitos básicos relacionados com o comportamento dos materiais elasto-plásticos. Os conceitos de material elástico perfeitamente plástico e de material com endurecimento (ou hardening) e amolecimento (ou softening) são apresentados. Os conceitos de superfície de plastificação e de superfície de potencial plástico também são apresentados. Por fim, são sintetizados os pontos mais relevantes da pesquisa realizada, apontando as limitações do trabalho com sugestões de novos estudos a serem realizados nessa mesma linha de pesquisa. / The present research approaches the study of the behaviour of tunnels in soil. It is given emphasis in the application of numerical analyses using different elasto-plastic constitutive models for soils. Three-dimensional numerical analyses of a widely instrumented tunnel belonging to the Company of the Metropolitan of São Paulo are presented. The analyses are carried through with aid of a computational program of finite elements. The behaviour of the soil mass in points located around the excavation is thoroughly studied and the capacity of the models in adequately representing the field behavior verified by the instrumentations is evaluated. Furthermore, the work approaches the main concepts related to tunneling in soils. Concepts related to practical engineering of tunnels are presented in a qualitative way, without theoretical and mathematical formulations. A literature review of recent publications of the most important periodic magazines and that deal with the subject of numerical analysis applied to tunnels is presented. The work also presents a revision of the main concepts related to the constitutive models normally used for analysis of geotechnical problems. Beyond the elastic model the elasto-plastics models of Tresca, von Misses, Drucker-Prager and Mohr-Coulomb are presented. Brief introductions to the basic concepts of critical state, together with the equations of the (original) Cam-Clay original and (modified) Cam-Clay modified models are presented. Before the presentation of the equations of these constitutive models, the basic concepts of the behaviour of the elasto-plastics materials are introduced. The concepts of perfectly plastic elastic material and material with hardening and softening are presented. The concepts of plastic surface and plastic potencial surface are also presented. Finally, the most relevant points of the research are synthesized, pointing the limitations of the developed work along with suggestions for new studies to be carried through in this line of research.

A model for stress and strain accumulation in strike slip earthquake faults is presented in which a finite width cuboidal fault region is embedded between two cuboidal tectonic plates. Elasto-plastic continuum constitutive equations model the gouge in the fault and the tectonic plates are linear elastic solids obeying the generalised Hooke's law. The model predicts a velocity field which is comparable to surface deformations. The plastic behaviour of the fault material allows the velocities in the tectonic plate to increase to values which are independent of the distance from the fault. Both of the non-trivial stress and strain components accumulate most significantly in the vicinity of the fault. The release of these strains during a dynamic earthquake event would produce the most severe deformations at the fault which is consistent with observations and the notion of an epicenter. The accumulations in the model, however, are at depths larger than would be expected. Plastic strains build up most significantly at the base of the fault which is in yield for the longest length of time but additionally is subject to larger temperatures which makes the material more ductile. The speed of propagation of the elasto-plastic boundary is calculated and its acceleration towards the surface of the fault may be indicative of a dynamic earthquake type event.

This master’s thesis describes the influence of conformity on friction in rolling bearings. The coefficient of friction is measured on an experimental machine - Mini Traction Machine 2 – using ball-on-disc method. The results are plotted in graphs which showing the dependence of the coefficient of friction at spin-to-roll ratio for specific conformity, normal load and speed in the contact area. The influence of load, speed or different lubricant viscosity is verified for a given value of conformity. Experimentally obtained data are compared with the mathematical model developed in MatLab, within this thesis.

Motivado por diversos processos de manufatura, tais como conformação de metais a frio ou mesmo manufatura aditiva, este trabalho consiste no desenvolvimento de um código computacional para a simulação numérica de problemas bidimensionais que abordam três tipos de não-linearidade: a geométrica, presente em situações de grandes deslocamentos; a física, presente no modelo constitutivo do material; e a de contato. Na primeira etapa, desenvolve-se um programa para análise dinâmica bidimensional de sólidos elásticos, utilizando a abordagem posicional do método dos elementos finitos, que engloba naturalmente a não-linearidade geométrica em sua formulação. Em seguida, implementam-se modelos constitutivos não-elásticos para problemas com grandes deformações. No modelo elastoplástico, adota-se o critério de von Mises com encruamento cinemático baseado na lei de Armstrong-Frederick. Essa formulação é então generalizada para o caso visco-plástico, onde é considerado o modelo de Perzyna em conjunto com a lei de Norton. No caso visco-elástico, utiliza-se uma formulação que parte do modelo reológico de Zener. Por fim, apresenta-se um modelo visco-elasto-plástico que consiste no acoplamento dos modelos visco-elástico e visco-plástico descritos anteriormente. Em todos os casos, utiliza-se a decomposição multiplicativa do gradiente da função mudança de configuração. Com respeito à aplicação 2D, consideram-se as hipóteses de estado plano de deformações e estado plano de tensões, onde a última é resolvida numericamente por um procedimento local de Newton-Raphson. Para o problema de contato, aplica-se a estratégia Nó-a-Segmento, sendo as condições de não-penetração impostas com a introdução de multiplicadores de Lagrange. A formulação é testada em cada uma das etapas por meio de exemplos numéricos de verificação. Além disso, para mostrar as potencialidades do código desenvolvido, são propostos diversos exemplos numéricos, sendo alguns inspirados por processos de manufatura existentes. Nesses exemplos, são estudados os efeitos de diferentes parâmetros dos materiais e diferentes taxas de deformação na resposta numérica, permitindo uma análise do comportamento dissipativo decorrente da plastificação e da viscosidade, incluindo a influência desses sobre o amortecimento dinâmico. / Motivated by several manufacturing processes, such as cold metal forming or even additive manufacturing, in this work we develop a computational code for numerical simulation of two-dimensional problems addressing three types of nonlinearities: geometric nonlinearity, present in large displacements situations; physical non-linearity, present in the material constitutive model; and contact non-linearity. In the first step, we develop a computational program for dynamic analysis of two-dimensional elastic solids using the positional finite element method, which naturally takes into account geometric non-linearity in its formulation. Following, we implement inelastic constitutive models for large strain problems. In the elasto-plastic model, we adopt von Mises yeld criteria and kinematic hardening based on the Armstrong-Frederick law. The formulation is then generalized to the visco-plastic case, where we consider Perzyna model associated with Norton\'s law. In the visco-elastic case, Zener\'s rheological model is employed. Finally, we present a visco-elasto-plastic model by coupling the visco-elastic and visco-plastic models described previously. In every case, the multiplicative decomposition of the deformation gradient is employed. Regarding the 2D application, we consider both plane strain and plane stress hypothesis, where the latter is solved numerically by a local Newton-Raphson procedure. For the contact problem, we employ the Node-to-Segment strategy, imposing non-penetration conditions with the introduction of Lagrange multipliers. The resulting computational code is tested in each step by means of numerical verification examples. In addition, to show the potentialities of the developed code, several numerical examples are proposed, some of which inspired by existing manufacturing processes. On these examples, we study the effects of different material parameters and strain rates on the numerical response, allowing an analysis of the dissipative behavior due to plasticity and viscosity, including the influence of these on the dynamic damping.

Muitas são as pesquisas que avaliam as variáveis intervenientes no colapso dos solos: contudo, pouco tem sido publicado a respeito da influência da trajetória de ciclos de umedecimento e secagem, no comportamento colapsível do solo, e do colapso em condições de carregamento triaxial. O presente trabalho tem como objetivo estudar o colapso de um solo arenoso, típico da região centro-oeste do Estado de São Paulo, frente a tais variáveis através de ensaios edométricos convencionais, edométricos com controle de sucção e triaxiais. Dos ensaios edométricos convencionais caracterizou-se o colapso sob vários níveis de tensão, determinando assim a sobrecarga de inundação que causa máximo colapso. Nos ensaios de compressão triaxial, cada amostra foi inundada sob um determinado estado de tensão, caracterizado pela relação &#9631/&#9633. Nestes ensaios foi observado que as deformações volumétricas são dependentes da tensão confinante e da relação &#9631/&#9633, e que as deformações axiais por colapso são menores que as medidas nos ensaios edométricos convencionais. Nos ensaios edométricos com sucção controlada verificou-se que o valor inicial da sucção apresenta influência no valor do colapso total. Quanto aos ciclos de umedecimento e secagem, o solo sofreu colapso insignificante quando a sucção foi reduzida a um mesmo valor pela segunda vez. Os resultados experimentais dos ensaios edométricos com sucção controlada foram então modelados de acordo com o modelo de ALONSO et. al, (1990), e as adaptações a esse modelo propostas por FUTAI (1997) e MACHADO (1998), verificando-se a capacidade de cada formulação em representar matematicamente o comportamento colapsível do solo estudado. / There are many researches that evaluate and discuss the factors which interfere in the collapse of soils. However, not many have been published regarding the influence of the cycles of wetting in the collapsible behavior of the soil, and neither have collapse strains under triaxial load. The present work deals with the collapse behavior of a sandy soil, typical from the center-west of the State of São Paulo, considering the aforesaid aspects and using conventional oedometer, suction controlled oedometer and triaxial compression tests. In conventional oedometer tests, the influence of overburden stress on the induced wetting on collapse strains was characterized. Collapse strains were also measured in triaxial compression tests, varying the ratio of principal stress (&#9631/&#9633) when the samples are inundated. It was observed that collapse volumetric strains are dependent on confining stress and on &#9631/&#9633, and that, axial and radial strains are related to the ratio of &#9631/&#9633. The axial collapse strains observed in triaxial compression tests were shown to be lower than the ones measured in conventional oedometer tests. In controlled suction tests, the amount of collapse strains under gradual suction reduction was studied including the influence of suction reversals. It was noted that the initial suction influences the amount of collapse strains, and that, in the cycles of wetting and drying, the strains after the second cycle tended to be negligible. Experimental results from suction controlled oedometer tests were modeled through the model by ALONSO et. al. (1990) and by the adaptations to this model proposed by FUTAI (1997) and MACHADO (1998).

O presente trabalho de pesquisa aborda a aplicação de análise por elementos finitos a maciços escavados por túneis, revisando relevantes estudos sobre análise numérica deste tipo de obra e realizando modelagem numérica própria, bi e tridimensional, voltada ao caso do Túnel Paraíso do Metrô de São Paulo (obra com dados de instrumentação e de ensaios), com uso do consagrado programa de elementos finitos Imperial College Finite Element Program (ICFEP), desenvolvido nos últimos trinta anos no Imperial College de Londres. Dentre os modelos constitutivos adotados nestas análises, destaca-se o Cinemático com Duas Superfícies Modificado do Imperial College, modelo elasto-plástico com endurecimento cinemático e isotrópico, baseado no estado crítico, com grande capacidade de representar as características de rigidez de argilas sobreadensadas (como são as argilas da região do Túnel Paraíso), cujas principais características são levantadas através de revisão bibliográfica. Da observação da etapa de reprodução numérica de ensaios e dos resultados conseguidos com as análises da escavação do túnel, são feitas considerações sobre o desempenho de todos os modelos constitutivos adotados (além do Cinemático com Duas Superfícies Modificado, o Cam-Clay Modificado e o elasto perfeitamente plástico com critério de ruptura de Mohr-Coloumb), bem como sobre a performance dos modelos numéricos desenvolvidos. / This research approaches the application of finite element analysis to tunnel excavation, making a survey of some numerical relevant studies of this kind of construction and performing a range of plane-strain and three-dimensional analyses, focused on the Paraíso Tunnel from Sao Paulo Underground (with field instrumentation and lab tests), using a powerful finite element program, the Imperial College Finite Element Program (ICFEP), developed in the last thirty years at Imperial College London. Among the constitutive models adopted in those analyses, it is highlighted the Modified Two Surfaces Kinematic from Imperial College, a elasto-plastic model with kinematic and isotropic hardening, based on the critical state, with great ability to represent the pre-failure stiffness of overconsolidated clays (as are the clays around Paraíso Tunnel), whose main features are raised through a literature survey. From the results of numerical simulation of lab tests and from the predictions of the tunnelling analyses, it is discussed the performance of all constitutive models adopted (including Modified Cam-Clay and elastic perfectly plastic model with Mohr-Coloumb failure criterion) and of the numerical models developed.

O trabalho é um estudo experimental do comportamento tensão-deformação, em argila adensada unidirecionalmente, após mistura com água. Para sua execução, foram desenvolvidos equipamentos para adensamento de grandes quantidades de Lama, e medidores eletrônicos específicos para deformações volumétricas e radiais, usados em ensaios de compressão triaxial. O modelo da teoria clássica elasto-linear, para solos com comportamento anisotrópico é utilizado, após desenvolvimento algébrico, na obtenção dos parâmetros da argila. Nos cálculos, são aplicados processos estatísticos de regressões polinomiais. São analisadas as correlações dos parâmetros elásticos iso e anisotrópicos (Módulos de Elasticidade, Coeficientes de Poisson e Módulos de Elasticidade Transversal), com as tensões confinantes dos ensaios triaxiais, e com os Índices de pré-adensamento OCR das Lamas. / This work is an experimental study of the stress-strain behavior on clay one-dimensionally consolidated, after mixing with water. A consolidation equipment designed for great mass of mud and specific electronic apparatus for volumetric and lateral displacements on the triaxial tests were developed for this study. The classical theory of elasto-linear model for anysotropic soils is used, after algebraic manipulation, to obtain clay parameters. Multiple regressions are used for variables computations. Iso and anysotropic elastic parameters (Young modulus, Poisson ratio and shear modulus) are correlated with the confinant stresses and the over-consolidation-ratios (OCR).

Cette thèse concerne la modélisation du comportement mécanique de poudres ductiles au cours de leur mise en forme par le procédé de compression à froid. L’approche utilisée consiste à modéliser la poudre par un échantillon numérique de 50 particules sphériques distribuées aléatoirement. Chaque particule est maillée en éléments finis avec un comportement élasto-plastique et interagit par contact avec ses voisines. Sous l’effet du chargement, les particules se déforment et subissent de grandes transformations.La méthode développée consiste à imposer aux frontières de l'échantillon numérique des conditions aux limites en déplacement ou en force afin de simuler une réponse continue équivalente en termes de contrainte-déformation pour plusieurs chemins de chargement depuis les faibles valeurs de densité relative jusqu'aux fortes valeurs. Outre le fait que la méthode permet d’appliquer par la simulation des chemins de chargement inaccessibles aux techniques expérimentales, elle fournit de nombreuses indications sur la phénoménologie du comportement aux frontières de l'échantillon en relation avec la morphologie des particules déformées plastiquement et l’évolution des surfaces de contact inter-particules.Cette réponse obtenue sera étudiée au moyen des notions de l'élasto-plasticité classique, à savoir la surface de charge et la loi d'écoulement. L'accent est mis sur l’analyse de l’écoulement plastique et l'existence du potentiel plastique. Les résultats montrent que la direction d’écoulement est approximativement unique pour les états de contrainte éloignés du point de chargement. En revanche, la direction d’écoulement cesse d’être unique à proximité de point de chargement, ce qui révèle le caractère anisotrope de l’écrouissage. Ce comportement, propre aux poudres ductiles, est intimement lié à la déformation des grains. La dégradation anisotrope des propriétés mécaniques résultant du mécanisme de dilatance est également étudiée. / This thesis is concerned with the modelling of the mechanical behaviour of ductile powders during cold compaction process. A numerical method was implemented, in which a powder sample was assimilated to an assembly of 50 meshed particles in a cubic box which was submitted to compressive loadings simulated by means of the finite element method. Each particle was meshed and assigned an elastic-plastic constitutive behaviour. Particles interacted through mechanical, frictional contact and underwent large transformation during loading.The method developped in the thesis consisted in imposing boundary conditions as displacements or forces on the bounding walls of the numerical sample. The mechanical response of the sample was averaged to obtain the equivalent response of a continuum in terms of stress and strain. Various loading paths, including loading paths that are technically not attainable by experimental means, were applied up to different values of relative densities, from low (60%) to high values (98%). Much information on the phenomenological behaviour of the numerical sample could be obtained, in relation with the morphology of deformed particles and the evolution of contact surfaces.The results were interpreted based on the concepts of classical elasto-plasticity, i.e., yield surface and flow rule. The main focus of the study was the analysis of incremental plastic flow and the existence of a plastic potential. Results showed that the flow rule postulate, based in the plastic potential, could be considered as valid for stress states relatively far from the loading point. In the vicinity of the loading point, the direction of the plastic strain increment vector ceases to be unique. This behaviour, which is an original feature of ductile powders mechanical behaviour, was attributed to the anisotropic strain-hardening processes at stake, related to the anisotropic formation of contact surfaces between particles. The drop in mechanical properties related to dilatancy was also studied.