Este trabalho apresenta uma nova metodologia para elastografia virtual em imagens simuladas de ultrassom utilizando métodos numéricos e métodos de visão computacional. O objetivo é estimar o módulo de elasticidade de diferentes tecidos tendo como entrada duas imagens da mesma seção transversal obtidas em instantes de tempo e pressões aplicadas diferentes. Esta metodologia consiste em calcular um campo de deslocamento das imagens com um método de fluxo óptico e aplicar um método iterativo para estimar os módulos de elasticidade (análise inversa) utilizando métodos numéricos. Para o cálculo dos deslocamentos, duas formulações são utilizadas para fluxo óptico: Lucas-Kanade e Brox. A análise inversa é realizada utilizando duas técnicas numéricas distintas: o Método dos Elementos Finitos (MEF) e o Método dos Elementos de Contorno (MEC), sendo ambos implementados em Unidades de Processamento Gráfico de uso geral, GpGPUs ( \"General Purpose Graphics Units\" ). Considerando uma quantidade qualquer de materiais a serem determinados, para a implementação do Método dos Elementos de Contorno é empregada a técnica de sub-regiões para acoplar as matrizes de diferentes estruturas identificadas na imagem. O processo de otimização utilizado para determinar as constantes elásticas é realizado de forma semi-analítica utilizando cálculo por variáveis complexas. A metodologia é testada em três etapas distintas, com simulações sem ruído, simulações com adição de ruído branco gaussiano e phantoms matemáticos utilizando rastreamento de ruído speckle. Os resultados das simulações apontam o uso do MEF como mais preciso, porém computacionalmente mais caro, enquanto o MEC apresenta erros toleráveis e maior velocidade no tempo de processamento. / This thesis presents a new methodology for computational elastography applied to simulated ultrasound images, using numerical methods and comptuter vision methods. The aim is to estimate the elastic moduli of diferent tissues using two diferent images of the same cross section acquired in diferent times and pressure conditions. The proposed methodology consists in evaluate the displacement field using optical flow techniques and then apply an inverse analysis using a numerical method. In order to evaluate the displacement field, two distinct formulations for optical flow are used: Lucas-Kanade and Brox. For the inverse analysis problem, the Finite Element Method and the Boundary Element Method are used, both implemented in general purpose graphic units, GpGPUs. Considering a number of materials that may be present in the images, the multiresgions boundary element method is used in order to couple diferent matrices for diferent materials. The optimization process is evaluated using complex variable method. The methodology is validated in three diferent steps: noiseless simulations; additive white gaussian noise simulations; and ultrasound mathematical phantom with speckle tracking. The results show that the Finite Element Method presents more accurate estimatives but a high computational cost, while the Boundary Element Method presents tolerable errors but a better processing time.

Este trabalho busca aplicar técnicas de confiabilidade ao problema de grupo de estacas utilizadas como fundação de estruturas correntes. Para isso, lança-se mão de um modelo tridimensional de interação estaca-solo onde estão presentes o Método dos Elementos de Contorno (MEC) e o método dos Elementos Finitos (MEF) que atuam de forma acoplada. O MEC, com as soluções fundamentais de Mindlin (meio semi-infinito, homogêneo, isotrópico e elástico-linear é utiliza), é utilizado para modelar o solo. Já o MEF é utilizado para modelar as estacas. Definido o modelo de funcionamento estrutural das estacas, parte-se para a aplicação de métodos trazidos da confiabilidade estrutural para avaliação da adequabilidade em relação aos estados limite de serviço e estados limites últimos. Os métodos de confiabilidade utilizados foram o Método de Monte Carlo, o método FOSM (First-Order Second-Moment) e o método FORM (First-Order Reliability Method). / This work seeks to apply reliability techniques to the problem of piles groups used as current structures foundation. For this, makes use of a three-dimensional model of pile-soil interaction with the boundary element method (BEM) and the finite element method (FEM) working coupled. The BEM, with Mindlin fundamental solutions (semi-infinite medium, homogeneous, isotropic and linear elastic) is used to model the soil. The MEF is used to model the piles. Defined the model of structural functioning of the piles, the aim goes to the application of structural reliability for assessing the adequacy of the serviceability limit states and ultimate limit states. Reliability methods used were the Monte Carlo method, the FOSM (First-Order Second-Moment) method and the FORM method (First-Order Reliability Method).

Este trabalho apresenta o estudo de uma formulação do método dos elementos de contorno para a análise da interação placa-viga de pavimentos de edifícios. Para compatibilizar adequadamente as vigas e a placa, é utilizada uma formulação alternativa do método dos elementos de contorno para placas delgadas em que, a viga é modelada por equações diferenciais ordinárias e, a compatibilidade entre a placa e a viga é feita por meio dos deslocamentos e forças de ligação nos nós dos elementos. Após a imposição das condições de contorno e resolução final do sistema de equações, são obtidos os esforços nas vigas e deslocamentos na placa, que por fim são confrontados com outras formulações. Exemplos foram analisados demonstrando uma ótima concordância com os exemplos obtidos por outras formulações. / This work presents a formulation of the boundary element method for the analysis of plate-beam interaction in buildings floors. In order to properly match the beams and plate is used an alternative formulation of the boundary element method for thin plates, in which the beam is modeled by ordinary differential equations and the compatibility between plate and beam is done by the displacements and forces of connection in the nodes of the elements. After applying boundary conditions and final resolution of the system of equations, efforts are obtained in beams and plate displacements, that are confronted with other formulations. Samples were analyzed showing excellent results compared with those obtained by other formulations.

Em engenharia, modelos podem ser entendidos como representações das características principais de um objeto, criadas com o propósito ele permitir a visualização e compreensão da estrutura e do comportamento do objeto, antes de sua construção. A estrutura de um objeto de engenharia pode ser definida por um modelo geométrico que descreve, exata ou aproximadamente, suas formas e dimensões materiais. O comportamento pode ser descrito por um conjunto de equações diferenciais de um modelo matemático que nos permite prever, sob certas condições, os efeitos de ações externas sobre o objeto. A solução do modelo matemático pode ser obtida pela análise computacional numérica de um modelo mecânico do objeto, através do método dos elementos finitos e/ou método dos elementos de contorno. Nesse trabalho, apresentamos um Sistema de Modelagem Estrutural Orientado a Objetos denominado OSW - Object Structural Workbench, destinado ao desenvolvimento de programas de análise e visualização de modelos em engenharia de estruturas. Na primeira parte do texto, introduzimos os fundamentos utilizados no desenvolvimento do sistema. Na segunda parte, descrevemos como empregar as bibliotecas de classes de OSW na construção de um programa de modelagem e apresentamos a alguns resultados obtidos com o sistema. / In engineering, models may be thought as representations for the main characteristics of an object. Such representations enable us to visualize and understand the object structure and behaviour before constructing the object itself. The engineering ohject structure can be defined by a qeometric model which faith ful or approximately describes the object shape and size. The object behaviour can be ruled by a differential equations set from a mathematical model, which enables us to predict the effects of external forces acting on the object. The solution for the mathematical model can be obtained by applying the method of finite elements or method of boundary elements to an object mechanical model. In the text, we present an Object Oriented Structural Modeling System called OSW - Object Structural Workbench. The system has been designed to aid the development of computer programs for analysis and visualization of structural models. The text has been designed to aid the development of computer programs for analysis and visualization of structural models. The text has been divided into two parts. At the first one, we introduce the mathematical and computational basis employed in OSW construction. At the second one, we describe how to use the OSW class libraries to develop our own structural modeling applications, and also we present some results from OSW.

O presente trabalho apresenta uma formulação misto do MEC (Método dos Elementos de Contorno) e o MEF (Método dos Elementos Finitos). Nessa formulação, as estacas são modeladas através do MEF como elementos de barra e o solo através do MEC, como um meio contínuo, elástico linear, isótropo e homogêneo, utilizando as soluções fundamentais de MINDLIN (1936). Os sistemas de equações do solo e das estacas para elementos verticais são apresentados como uma combinação de ambos, originando um único sistema final de equações. Apresentam-se também as modificações necessárias para um sistema composto por estacas inclinadas. Após a resolução do sistema final, obtém-se os deslocamentos e as tensões de contato solo-estaca. A seguir, apresentam-se alguns exemplos numéricos obtidos a partir da formulação proposta e compara-se com modelos de outros autores. / This work presents a hybrid formulation of BEM (Boundary Elements Method) and FEM (Finite Elements Method). In that formulation, the piles are modeled through FEM as bar elements and the soil through BEM, as an isotropic, homogeneous, semi-infinite and linear-elastic continuum, using the fundamental solutions of MINDLIN (1936). The systems of equations of the soil and of the piles for vertical elements are presented as a combination of both, originating a single final system of equations. Some modifications are accomplished for the system of inclinated piles. After the resolution of the final system, the displacements and the contact tensions between soil and pile are obtained. Numeric examples are obtained starting from the proposed formulation and to proceed they are compared with other authors\' models.

Neste trabalho, uma combinação do Método dos Elementos de Contorno (MEC) com o Método dos Elementos Finitos (MEF) é apresentada para análise bidimensional de sólidos elastostáticos reforçados, sendo considerados modelos de aderência no acoplamento. O elemento de contorno é adotado para modelar o comportamento do domínio, enquanto que o modelo por elementos finitos é utilizado para modelar o enrijecedor. Devido às singularidades nas equações integrais do MEC, estudou-se o erro ocasionado pelos integrandos de ordem e e como conseqüência sugerem-se, neste trabalho, equações mais simples para representar o erro das integrações. Para a formulação do acoplamento, um polinômio do terceiro grau é adotado para aproximar tanto o campo de deslocamento quanto a rotação do enrijecedor, enquanto aproximações lineares são usadas para representar a força de contato entre o domínio e o enrijecedor. Modelos de escorregamento, apresentados, são lineares e governados em função do carregamento escrito em termos das forças de contato e o deslocamento relativo. A partir da combinação entre o MEC e o MEF obtém-se uma matriz retangular contendo duas equações para o MEC e uma para o MEF. O resultado das equações algébricas redundantes é eliminado pela aplicação do procedimento dos mínimos quadrados. Exemplos ilustram o bom ajuste e os melhores resultados proporcionados pelo controle do erro das equações integrais, mostrando ainda através de exemplos, a potencialidade e as limitações no acoplamento entre os dois materiais, considerando modelos de aderência ou não. / In this work it is presented a coupling between the Boundary Element Method and the Finite Element Method for two-dimensional elastostatic analysis of reinforced bodies considering adherence. The Boundary Element is used to model the matrix while the reinforcement is modeled by the Finite Element. Due to the inherent singularities present in Boundary Element formulations the quadrature rules, used to develop the necessary integrals may present undesired errors. In this sense the behavior of this integration error is studied and a simple way to control it is proposed along the work. Regarding the coupling formulation a third degree polynomial is adopted to describe the displacements and rotations of the reinforcement, while a linear polynomial is used to describe the contact forces among the continuum and the reinforcement. Adherence (or sliding) models are presented and implemented in the computer code. A linear relation between relative displacement and transmitted force is adopted. From difference of approximation regarding contact forces and displacements a rectangular matrix arrises from the BEM/FEM coupling. The additional equations are eliminated by the use of a least square method based on the multiplication of transpose matrices. Examples are shown to demonstrate the good behavior of error control applied on gaussian quadratures regarding Boundary Element simulations for coupled or not situations, considering or not adherence models.

Este trabalho tem como objetivo principal apresentar formulações do método dos elementos de contorno que contemplem as análises de placas considerando-se as não-linearidades física e geométrica e de placas enrijecidas considerando-se o comportamento não-linear físico do material. As equações integrais utilizadas são baseadas na teoria de Kirchhoff para flexão de placas delgadas, sendo o efeito não-linear geométrico modelado a partir da teoria de Von Kármán. Os efeitos não-lineares físicos são introduzidos no sistema a partir da consideração de um campo de tensões iniciais, com a avaliação das regiões plastificadas realizada a partir do critério elastoplástico de von Mises com encruamento isótropo linear e particularizado para o estado plano de tensão. A formulação dos enrijecedores é efetuada de forma alternativa, com o painel enrijecido considerado como um todo e submetido a campos de momentos e forças normais iniciais para induzir o ganho de rigidez. Apenas a parcela de enrijecimento na direção longitudinal do enrijecedor é considerada. O sistema de equações algébricas é obtido a partir da discretização estrutural com elementos de contorno isoparamétricos lineares. Para a consideração dos efeitos de domínio da placa são utilizadas células triangulares com funções de aproximação linear. Já as integrais no domínio dos enrijecedores são transformadas em integrais no contorno dos mesmos, com as variáveis escritas apenas no seu eixo longitudinal. Toda a solução do sistema não-linear de equações é obtida a partir de uma formulação implícita, sendo os operadores tangentes consistentes explicitados ao longo do trabalho. Por fim, vários exemplos são apresentados de forma a validar o correto desenvolvimento das formulações propostas. / In this work a boundary element method formulation to analyse plates with combined geometrical and material nonlinearities was presented. Additionally an alternative boundary element method formulation was presented to analyse material nonlinear reinforced plates. The boundary integral equations are derived based on Kirchhoff\'s theory. An initial stress field and von Kármán hypothesis are considered to take into account the material and geometrical nonlinearities, respectively. The elastoplastic von Mises criterion with linear isotropic hardening and particularized to the plane stress condition is considered to evaluate the plastic zone. The effects of the reinforcements are taken into account by using a simplified scheme based on applying an initial stress field to correct locally the bending and stretching stiffness of the reinforcement regions. Only bending and stretching rigidities in the direction of the reinforcements are considered. Isoparametric linear elements are used to approximate the boundary unknown values and triangular internal cells with linear shape functions are used to evaluate the plate domain value influences. The domain integrals due to the presence of the reinforcements are transformed to the reinforcement/plate interface. The nonlinear system of equations is solved by using an implicit scheme together with the consistent tangent operator presented along this paper. Finally, several examples are presented to confirm the correct development of the proposed formulations.

Neste trabalho, apresenta-se a formulação do método dos elementos de contorno dual (MECD) aplicada a análise de problemas da Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL). O objetivo da pesquisa consiste em avaliar o fator de intensidade de tensão (FIT) de sólidos bidimensionais fraturados, por meio de três técnicas distintas, quais são: a técnica da correlação dos deslocamentos, a técnica com base no estado de tensão na extremidade da fratura e a técnica da integral. As análises são realizadas utilizando o código computacional desenvolvido durante a pesquisa, que incorpora as formulações diretas em deslocamento e em força de superfície, do método dos elementos de contorno (MEC), com destaque para a utilização dos elementos de contorno curvos de ordem qualquer. No MECD as equações integrais singulares do tipo O(\'R POT.-1\') e O(\'R POT.-2\') são avaliadas satisfatoriamente com o Método da Subtração de Singularidade (MSS). Dessas integrais resultam termos analíticos, os quais são avaliados por meio do Valor Principal de Cauchy (VPC) e da Parte Finita de Hadamard (PFH). Compara-se o código desenvolvido com as soluções analíticas encontradas na literatura inclusive na análise de sólidos com fraturas predefinidas e para a avaliação do FIT, que produziram bons resultados. / This work presents the dual boundary element formulation applied to linear crack problem. The goal of this research is the evaluation of stress intensity factor for two-dimensional crack problem using three different techniques, which are: the technique of correlation of displacements, the technique based on the state of tension at the crack tip and J integral. The analysis is performed using the computational code developed during the research, which incorporates the direct formulations related to displacement and traction boundary element equation. A greater emphasis is given to the use of curved boundary element of any order. In the dual boundary element method the singular integral equations with singular others O(\'R POT.-1\') and O(\'R POT.-2\') are assessed satisfactorily with the application of the singularity subtraction method. The results of these singular integrals are evaluated by the Cauchy Principal Value and the Hadamard Finite Part. The code developed is compared with the analytical solutions found in the literature including the analysis of solids with fractures default and evaluation of stress intensity factor, which produced good results.

Uma implementação computacional baseada nos conceitos da mecânica do contato e no Método dos Elementos de Contorno é desenvolvida para simular a interação entre discos de corte e maciço rochosos. Simula-se o contato considerando-se inicialmente uma superfície potencial de contato que é atualizada durante um processo de carregamento incremental, podendo conter elementos separados, em contato sem deslizamento ou com deslizamento parcial. A cada passo do carregamento incremental estima-se a configuração do modelo e os dados obtidos neste passo serão utilizados como parâmetros no passo seguinte até que todo o carregamento esteja aplicado. O modelo em estudo consiste em dois discos de corte paralelos atuando sobre uma base sólida com característica elástica linear. São feitas duas simulações com os discos de corte. Na primeira delas, compara-se a penetração dos discos utilizando-se como parâmetro os valores calculados em uma análise por elementos finitos. No segundo caso, estuda-se a distribuição de tensões no maciço quando se altera o espaçamento entre os discos para um mesmo carregamento. Além desta análise, duas outras comparações são feitas utilizando como parâmetros soluções analíticas e numéricas de modelos clássicos da mecânica do contato. São estes: cilindro e pilar em base elástica. / A computational implementation based on contact mechanics and on the Boundary Element Method is developed in order to simulate the interaction between disc cutters and rock mass. The contact simulation considers initially a potential contact area which is updated during an incremental load process, in such way the surface can include elements in separation, stick or partial slip. At each incremental load step the configuration of the model shall be evaluated and the values computed at such step are used as parameter to the next load step until the end of the loading process. The investigated model consists in two parallel cutter discs on a flat elastic foundation. In the first simulation the penetration of the discs are studied and the results are compared against a finite element simulation. In the second simulation, the stress distribution in the rock mass is evaluated considering different spacing between the disc cutters by keeping the same load. In addition, two benchmark problems of contact mechanics, such as the cylinder and the flat punch on a elastic foundation, were modeled in order to validate the proposed algorithm. The obtained results were compared against analytical and numerical solutions.

Este texto trata do Método dos Elementos de Contorno Dual empregando a solução fundamental anisotrópica. As integrais impróprias que surgem nesta formulação são regularizadas pela técnica da subtração de singularidade. Aplica-se a transformação de coordenadas auto-adaptativa de Telles para a avaliação das integrais quase-singulares. Apresenta-se o programa computacional desenvolvido utilizando os paradigmas da programação orientada a objetos e processamento em paralelo. Foram analisados diversos problemas e os resultados obtidos comparados àqueles da solução analítica. Os resultados alcançados mostraram-se satisfatórios validando a formulação proposta. / This text deals with the Dual Boundary Element Formulation Method using the fundamental solution for anisotropic body. The improper integrals that arise in this formulation are regularized using the singularity subtraction technique. The self-adaptive coordinate transformation developed by Telles is used to evaluate the near-singular integrals. The computer program developed using the paradigms of object-oriented programming and parallel processing is presented. Several problems were analyzed and its results compared with those proposed by analytical solution. The results achieved were satisfactory therefore validating the proposed formulation.