O presente trabalho objetiva um estudo de aplicação do Método dos Elementos de Contorno à análise de problemas de propagação de ondas eletromagnéticas. O Método baseia-se numa formulação integral que elimina todas as operações de integração em domínio, restando apenas as de contorno. Inicialmente faz-se um estudo dos fundamentos teóricos do método, apresentando-o de forma genérica e encaminhando sua aplicação à equação de Helmholtz. Os procedimentos computacionais desenvolvidos para a implementação do método viabilizam a solução eficiente de problemas de interesse, envolvendo diferentes meios com ou sem perdas. São apresentados resultados de simulações realizadas que confirmam a aplicabilidade do método, permitindo também uma análise de seu desempenho através da variação de parâmetros, como, por exemplo, número de elementos na discretização e função de interpolação. / This work deals with a study of application of the Boundary Element Method (BEM) directed to electromagnetic guided wave propagation. This method relies on an integral formulation that does not need any domain integration. Only boundary integrations have to be performed. The work begins with a study of the theoretical foundations of the method, presenting its general formulation and then directing it to Helmholtz’s equation solution. Developed computational procedures allow efficient application of the method to real problems with more than one medium, with or without losses. Simulations results are presented which confirm the applicability of the method and allow the analysis of its performance through parameters variation as, for example, the number of discretized elements and interpolation function.

A combinação do Método dos Elementos de Contorno e do Método dos Elementos Finitos é o procedimento usualmente empregado na análise da flexão de placas interagindo com o solo. Usando-se da associação de ambos os métodos pode-se tirar vantagens de cada um deles e, consequentemente, chegar a uma técnica melhorada para tratar com problemas práticos. Contudo, a formulação do MEF não representa bem as tensões e os esforços concentrados ao longo do contorno, que podem ocorrer devido à maior rigidez da placa quando comparada com o meio solo, como a formulação do MEC faz. Por isso, a flexão de placas sobre base elástica é aqui proposta utilizando-se apenas das formulações do MEC, ou seja, tanto os problemas tridimensionais quanto os problemas de placas são tratados pela formulação de contorno para casos elastostáticos e elastodinâmicos. Duas diferentes formas de tratar problemas de flexão elastodinâmica de placas são discutidas, enfatizando possíveis instabilidades numéricas que as duas técnicas podem exibir. Finalmente, depois de propor a combinação dos problemas tridimensional e de placas, os resultados de exemplos numéricos apresentados mostram as vantagens e desvantagens da técnica proposta. / The combination of the boundary element and the finite element methods is the usually employed procedure to analyse plates in the bending interacting with the supporting soil. By using the association of both methods one can take the advantage of each method and consequently reach an improved technique to deal with practical problems. However, the FEM formulation can not represent well the stress and effort concentrations along the boundary, that may occur due to the higher plate stiffness when compared with the soil media, as the BEM technique does. Therefore, the plate bending on elastic foundation is proposed here using only BEM formulations, i.e. both the three-dimensional and the plate problems are formulated by boundary formulations for the elastostatic and elastodynamic cases. Two different ways to deal with the elastodynamic plate bending problem are discussed, emphasizing possible numerical instabilities that those techniques may exhibit. Finally, after proposing the combination of the three-dimensional and plate problems, results of numerical examples presented to show the advantages and disadvantages of the proposed technique.

Orientador: Gabriela Rezende Fernandes / Resumo: Neste trabalho é apresentada uma formulação do MEC (Método dos Elementos de Contorno) considerando-se não-linearidade física para analisar microestruturas de materiais heterogêneos no contexto da análise em multi-escala. A microestrutura, também denominada como EVR (Elemento de Volume Representativo), é modelada como uma chapa em sub-regiões onde vazios ou inclusões podem ser considerados dentro da matriz, sendo diferentes propriedades elásticas e modelos constitutivos definidos para cada sub-região. A equação integral para o deslocamento é obtida a partir do Teorema de Betti, onde para considerar o fenômeno dissipativo, um campo de esforços iniciais é considerado. A equação algébrica da chapa é obtida após a discretização do contorno externo e interface em elementos e do domínio das subregiões em células. Na análise multi-escala cada ponto da estrutura (macrocontínuo) é representado por um EVR, onde o comportamento do material não é definido por um modelo constitutivo, mas através da solução do problema de equilíbrio do EVR quando sujeito à deformação referente ao ponto do macrocontínuo. O problema de equilíbrio do EVR é definido em termos da flutuação dos deslocamentos, sendo o mesmo satisfeito quando seu campo de forças se encontra em equilíbrio. Após a solução do EVR, os deslocamentos no contorno e as forças dissipativas são atualizados e as forças de superfície sobre o contorno recalculadas para se obter a tensão homogeneizada. O custo computacional obtido com a presente... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

In this work, it is proposed a mechanical behavior analysis of the soil-structure interaction from the development of a computational code using a coupling static formulation of Boundary Element Method (BEM) and Finite Element Method (FEM) for the displacements and stress calculation in structures in contact to the half space. Thus, it is intended to model the structure using the bending plate finite element DKT (discrete Kirchhoff triangle) and applying the concepts of the Boundary Element Method (BEM) formulation to model the soil, considered as a half- infinite and/or infinite space and using Kelvin s fundamental solution. The coupling between the media is done using the sub-regions technique. From the computational code development some practical examples of engineering are implemented, such as: soil-structure interaction analysis in superficial and buried plate foundations and others engineering structures, study on the behavior of a half- infinite space from the application of a distributed and concentrated load, analysis of bodies submitted to bend and traction, among others applications. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Neste trabalho, propõe-se a análise do comportamento mecânico da interação solo -estrutura a partir do desenvolvimento de um código computacional utilizando-se uma formulação estática conjunta do Método dos Elementos de Contorno (MEC) e do Método dos Elementos Finitos (MEF) para o cálculo de deslocamentos e tensões em estruturas em contato com o meio semiinfinito. Assim sendo, pretende-se modelar a estrutura a partir de elementos finitos de placa DKT (discrete Kirchhoff triangle) e utilizar o conceito da formulação do Método dos Elementos de Contorno (MEC) para modelar o solo, considerando-o como um espaço semi- infinito e/ou infinito e utilizando a solução fundamental de Kelvin. O acoplamento entre os meios é feito aplicando-se a técnica de sub-regiões. A partir do desenvolvimento de um código computacional são processados alguns exemplos de engenharia tais como: análise da interação solo -estrutura em fundações de placa superficiais e enterradas e outras estruturas de engenharia, estudo do comportamento de um espaço semi- infinito a partir da aplicação de um carregamento distribuído e carga concentrada, análise de corpos submetidos à flexão e à tração, entre outras aplicações.

This study aims the development of a computational tool used to analyze two dimensional problems of soil-structure interaction, where soil is modeled by Boundary Element Method (BEM) and structures are treated by the Finite Element Method (FEM). Fundamental solutions of Kelvin 2D and Melan to BEM are implemented, where boundary elements with linear approximation are used. Structures modeled with FEM are discretized with two-dimensional frame finite elements. Coupling among media is done using the sub-region technique, where conditions of compatibility of displacements and equilibrium of tractions are applied to the interfaces between various sub-regions. Both soil and structures are considered as composed of homogeneous, isotropic, elastic and linear materials. However, sub-region technique allows the soil to be considered as stratified. Application for various acting loads, on structure or on soil, are considered slow, therefore the proposed analyses are statics. Examples are presented using the developed computational code. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para analisar problemas bidimensionais de interação solo-estrutura, onde o solo é modelado pelo Método dos Elementos de Contorno (MEC) e as estruturas são tratadas pelo Método dos Elementos Finitos (MEF). São implementadas as soluções fundamentais de Kelvin 2D e Melan para o MEC, onde elementos de contorno com aproximação linear são utilizados. As estruturas modeladas pelo MEF são discretizadas por elementos finitos de pórtico bidimensional. O acoplamento entre os meios é feito pela utilização da técnica de sub-regiões, onde condições de compatibilidade de deslocamentos e condições de equilíbrio de forças são aplicadas às interfaces entre as diversas sub-regiões. Tanto o solo quanto as estruturas são considerados como compostos por materiais homogêneos, isotrópicos, elásticos e lineares. Porém, a técnica de sub-regiões permite que o solo seja considerado como estratificado. A aplicação dos diversos carregamentos atuantes, na estrutura ou no solo, é considerada lenta, assim, as análises propostas são estáticas. São apresentados exemplos de aplicação do código computacional desenvolvido.

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2017-07-18T12:41:11Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2094299 bytes, checksum: 783d6f9949086fb75e4a51fc3adbd48a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-18T12:41:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2094299 bytes, checksum: 783d6f9949086fb75e4a51fc3adbd48a (MD5) Previous issue date: 2016-04-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, new solutions based on the Boundary Element Method (BEM) are established for the linear analysis of bending and stability problems of Reddy-Bickford beams. All mathematical steps to write the BEM representation are properly presented: transformation of governing differential equations into equivalent integral equations, deduction of fundamental solutions, formation and solution of algebraic representation.In addition, elastic foundations (winkler and pasternak’s types) attached to Reddy-Bickford beams are solved by BEM as well. It is also addressed a convenient strategy for discontinuities in the area such as abrupt change in geometry of the cross section (stepped beam), intermediate axial load, intermediate supports (continuous beam). Numerical examples incorporating various types of discontinuities and boundary conditions in the field are presented to validate the solutions proposed BEM. / Neste trabalho, novas soluções, baseadas no Método dos Elementos de Contorno (MEC), são estabelecidas para a análise linear de problemas de flexão e estabilidade de barras de Bickford-Reddy. Todos os passos matemáticos para estabelecer a representação do MEC são apresentados: transformações das equações diferenciais governantes em equações integrais equivalentes, dedução das soluções fundamentais, obtenção e solução do sistema alébrico. Além disso, fundações elásticas (Winkler e Pasternak) em barras de Bickford-Reddy também são analisados pelo MEC. É também abordada uma conveniente estratégia para de discontinuidades no domínio tais como: mudança abrupta de geometria da seção transversal (viga escalonada), carga axial intermediária, apoios rígidos no domínio (viga contínua). Exemplos numéricos incorporando vários tipos de condições de contorno e discontinuidades no domínio são apresentadas para validar as soluções do MEC propostas.

Submitted by LUIS HENRIQUE DE REZENDE CROZARIOL null (luiscrozariol@gmail.com) on 2017-09-26T22:06:47Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Luis 26-09.pdf: 3642072 bytes, checksum: 6bd5d174cfe596f9dc2def41f1270185 (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-09-28T13:33:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 crozariol_lhr_me_ilha.pdf: 3642072 bytes, checksum: 6bd5d174cfe596f9dc2def41f1270185 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-28T13:33:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 crozariol_lhr_me_ilha.pdf: 3642072 bytes, checksum: 6bd5d174cfe596f9dc2def41f1270185 (MD5) Previous issue date: 2017-07-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho é apresentada uma formulação do MEC (Método dos Elementos de Contorno) considerando-se não-linearidade física para analisar microestruturas de materiais heterogêneos no contexto da análise em multi-escala. A microestrutura, também denominada como EVR (Elemento de Volume Representativo), é modelada como uma chapa em sub-regiões onde vazios ou inclusões podem ser considerados dentro da matriz, sendo diferentes propriedades elásticas e modelos constitutivos definidos para cada sub-região. A equação integral para o deslocamento é obtida a partir do Teorema de Betti, onde para considerar o fenômeno dissipativo, um campo de esforços iniciais é considerado. A equação algébrica da chapa é obtida após a discretização do contorno externo e interface em elementos e do domínio das subregiões em células. Na análise multi-escala cada ponto da estrutura (macrocontínuo) é representado por um EVR, onde o comportamento do material não é definido por um modelo constitutivo, mas através da solução do problema de equilíbrio do EVR quando sujeito à deformação referente ao ponto do macrocontínuo. O problema de equilíbrio do EVR é definido em termos da flutuação dos deslocamentos, sendo o mesmo satisfeito quando seu campo de forças se encontra em equilíbrio. Após a solução do EVR, os deslocamentos no contorno e as forças dissipativas são atualizados e as forças de superfície sobre o contorno recalculadas para se obter a tensão homogeneizada. O custo computacional obtido com a presente formulação é menor que aquele referente ao modelo desenvolvido pelo Método dos Elementos Finitos, sendo a resposta homogeneizada do EVR comparada ao modelo de elementos finitos a fim de validar a formulação apresentada nesse trabalho. / A BEM formulation, considering dissipative phenomena, to analyze microstructures of heterogeneous materials in the context of multi-scale analysis is presented. The microstructure, also denoted as RVE (Representative Volume Element), is modelled as a zoned plate where voids or inclusions can be considered inside a matrix, being different elastic properties and constitutive models defined for each sub-region. The integral representation for displacement is obtained from Betti’s Theorem, where to consider the dissipative phenomena, an initial forces field is considered. The plate algebraic equation is obtained after discretizing the external boundary and interfaces into elements and the sub-regions domain into cells. In the multi-scale analysis, each macro-continuum point is represented by a RVE, being the material behaviour not governed by a phenomenological constitutive model, but defined after the solution of the RVE equilibrium problem due to the macro strain. The RVE equilibrium problem is defined in terms of displacement fluctuations, being satisfied when the forces field is in equilibrium. After the RVE solution, the boundary displacements and dissipative forces are updated and the boundary tractions recalculated to obtain the homogenized stress. The computational cost obtained with the proposed formulation is smaller than the formulation developed by the Finite Element Method. Besides, the homogenized response is compared to the finite element model to show its accuracy.

Orientador: Luiz Fernando Bovolato / Banca: Sérgio Kurokawa / Banca: Afonso José do Prado / Resumo: Este trabalho analisa a aplicação em linhas de transmissão do método dos elementos de contorno para cálculo de potencial e campo elétrico, com um enfoque em eletrostática. O método dos elementos de contorno baseia-se numa formulação integral que elimina a discretização do domínio, restando apenas o contorno, permitindo o cálculo do potencial e do campo elétrico no contorno e na região estudada. O trabalho configura-se como uma revisão sobre eletrostática, ressaltando as equações de Laplace e Poisson, que serão utilizadas para encontrar as equações integrais do contorno. Há também vários tópicos relacionados ao campo elétrico de linhas de transmissão, bem como, ás normas brasileiras e recomendações internacionais que devem ser utilizadas no projeto de linhas de transmissão. O método dos elementos de contorno utiliza tais equações integrais para encontrar o potencial e o campo no contorno, e após conhecidos o potencial e o campo no contorno, pode-se aplicar o método em todo o domínio, obtendo o potencial e o campo. Para isso, apenas o contorno do domínio de interesse deve ser discretizado, o que trás uma enorme vantagem sobre os métodos que utilizam formulação diferencial. Neste trabalho, serão descritas as principais características do código computacional desenvolvido e suas sub-rotinas mais importantes. Para validar o programa, os resultados serão comparados com aqueles calculados por um procedimento analítico, sendo mostrada a eficiência da discretização do solo. São apresentados os resultados obtidos da análise do campo elétrico gerado por algumas silhuetas de linhas de transmissão. Os valores do campo elétrico gerado por estruturas compactas são comparados com estruturas convencionais e estruturas reduzidas (semi-compactas), também serão comparados os valores do gradiente de potencial na superfície dos condutores e suas capacitâncias equivalentes. / Abstract: This paper analyses the application in transmission lines of the Boundary Element Method (BEM) of the calculation of potential and electric field, with a focus on electrostatic. The Boundary Element Method is based on an integral formulation that eliminates the discretisation of the domain, remaining only the contour, allowing the calculation of the potential and the electric field in the contour and in the region studied. The work is configured as revision on electrostatic, underscoring the equations of Laplace and Poisson, which will be used to find the integral equations of the contour. There are also several topics related to the electric field of transmission lines, as well as to the standards Brazilian and international recommendations to be used in the design of transmission lines. The Boundary Element Method uses such integral equations for finding the potential and electric field in the contour, and after having known the potential and electric field in the contour, the BEM can be applied in the whole domain, and getting the potential and electric field. Therefore, only the contours of the domain of interest should just be discretized, which backward an enormous advantage on the methods that use formulation differential. This paper will describe the main characteristics of computer code developed and their sub-routines more important. To validate the program, the results will be compared with those calculated by an analytic procedure, being shown the efficiency of discretisation of the soil. The results obtained from analysis of the electric field generated by some silhouettes of transmission lines are presented. The values of the electric field generated by compact structures are compared with conventional structures and reduced structures, also will be compared the values of the gradient of potential on the surface of the conductors and their equivalents capacitances. / Mestre

Neste trabalho foi desenvolvido um modelo para análise tridimensional não linear geométrica de edifícios considerando a influência de todas as partes componentes do sistema estrutural, incluindo a ligação núcleo-laje e o solo de fundação. Pilares e vigas são modelados com elementos finitos de barra com seção transversal de forma qualquer, enquanto as lajes são modeladas por elementos finitos de casca. Ambos consideram o comportamento não linear geométrico e adotam como graus de liberdade posições nodais e vetores generalizados ao invés de deslocamentos e rotações, sendo também considerado para o elemento de barra o grau de liberdade de empenamento da seção. Apresenta-se uma estratégia cinemática para o acoplamento de topo entre os elementos de casca e a seção dos elementos de barra, gerando assim um elemento de núcleo com diafragma. O acoplamento se dá através de uma matriz de incidência cinemática responsável por inserir na Hessiana e no vetor de forças internas do elemento de barra que discretiza o núcleo as contribuições de elementos de casca a ele conectadas. Admite-se para os materiais do edifício a lei constitutiva elástico-linear de Saint Venant-Kirchhoff e a não linearidade geométrica é considerada através de uma formulação Lagrangiana total com cinemática exata. A flexibilidade dos apoios é considerada através de uma matriz de rigidez do sistema solo-fundação. Esta matriz é calculada em outro programa de acoplamento entre o Método dos Elementos de Contorno e o Método dos Elementos Finitos por meio de uma estratégia numérica baseada, por sua vez, no Teorema de Betti-Maxwell. A estratégia consiste na determinação de coeficientes de flexibilidade de pontos sobre uma malha discreta do sistema solo-fundação, sendo o solo modelado via Método dos Elementos de Contorno com uso da solução fundamental de Mindlin e os elementos estruturais de fundação, que podem incluir placas, sapatas, blocos e estacas, são modeladas com elementos finitos convencionais de barra e de casca. O programa permite a análise de edifícios completos, considerando a influência do empenamento dos núcleos nos pavimentos e também os efeitos da interação solo-estrutura. Exemplos numéricos são apresentados para confirmar a eficiência e demonstrar o potencial de aplicação da formulação proposta. / In this thesis a numerical model for geometric nonlinear analysis of three-dimensional structures of tall buildings was developed, considering the influence of all structural components, including the core-slab connection and the foundation system. Columns and beams are modeled by a frame finite element which can have a cross section of any shape, while the slabs are modeled by shell finite elements. Both consider the nonlinear geometric behavior and adopt nodal positions and generalized vectors as degrees of freedom instead of displacements and rotations. For the frame finite element it is also considered the cross sectional warping as a degree of freedom. A numerical strategy is presented for the coupling between the shell elements and the frame\'s cross section, thus forming a structural-core element with diaphragm. The coupling is done through a kinematic array which is responsible for inserting the contributions of shell elements, connected to the core walls, into the Hessian matrix and also into the internal force vector of the frame element used to discretize the core. The linear-elastic constitutive relation of Saint Venant-Kirchhoff is adopted for the building materials and the geometric nonlinearity is considered via a Lagrangian formulation with exact kinematics. The foundation\'s flexibility is considered through a stiffness matrix for the soil-foundation system. This matrix is computed in another program based on the numerical coupling between the Boundary Element Method and the Finite Element Method, using a numerical strategy based on the Maxwell-Betti\'s Theorem. This strategy consists in determining the flexibility coefficient of points on a discrete mesh of the soil-foundation system. The soil is modeled by the Boundary Element Method using the fundamental solution of Mindlin. The structural foundation elements, including shallow foundation, footings, blocks and piles, are modeled using conventional frame and shell finite elements. The program is applied to the analysis of complete structural systems of tall buildings, considering the influence of the core warping on the mechanical behaviour of the slabs and also the soil-structure interaction effects. Numerical examples are presented to confirm the efficiency and to demonstrate the potential application of the proposed formulation.

Analisam-se problemas de interação solo-estrutura através de uma formulação tridimensional obtida da combinação entre o Método dos Elementos de Contorno (MEC) e o Método dos Elementos Finitos (MEF). Os elementos estruturais que interagem com o solo são modelados pelo Método dos Elementos Finitos. E o solo, considerado como um meio semi-infinito, homogêneo, elástico linear e isotrópico, é modelado pelo Método dos Elementos de Contorno, empregando a solução fundamental de Mindlin. A solução fundamental de Mindlin é particularmente adequada para o tipo de problemas em análise, ou seja, problemas envolvendo sólidos tridimensionais semi-infinitos, já que é necessário discretizar apenas a superfície carregada do solo e/ou a linha de carga, e não todo o sólido tridimensional. A discretização da estaca em vários elementos finitos de viga tridimensional, permitindo a consideração de estacas de qualquer tamanho e submetidas a qualquer tipo de carregamento é uma das principais contribuições do trabalho. Outra contribuição diz respeito à consideração da ação horizontal no sistema placa-estaca-solo, diretamente aplicada na placa, e não redistribuída no topo das estacas. Por isso, os elementos estruturais laminares (radiers, sapatas e blocos de fundação) são modelados por elementos finitos de casca plana, possibilitando a consideração dos efeitos de flexão e de membrana. Essa abordagem permite a análise tanto de um grupo de estacas com bloco de capeamento rígido quanto de um radier estaqueado de qualquer rigidez. O acoplamento entre o MEC e o MEF é feito através de uma formulação mista em que a matriz dos coeficientes de influência do solo obtida pelo MEC é adicionada à matriz de rigidez dos elementos estruturais obtida pelo MEF, resultando em uma matriz de rigidez equivalente. Exemplos numéricos de interação estaca-solo, placa-solo e casca plana-estaca-solo são resolvidos para verificar, validar e demonstrar a eficiência das formulações desenvolvidas e implementadas. / Soil-structure interaction problems are analyzed by a tridimensional formulation obtained combining the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM). Structural elements that interact with the soil are modeled by the Finite Element Method. And the soil, considered as a semi-infinite, homogeneous, linear elastic and isotropic medium, is modeled by the Boundary Element Method, using Mindlin\'s fundamental solution. Mindlin\'s fundamental solution is particularly suitable for the type of problems under analysis, viz. problems involving semi-infinite three-dimensional solids, since it is necessary to discretize only the loaded surface of the soil and/or the line-load, and not all the three-dimensional solid. The discretization of the pile in several three-dimensional beam finite elements, allowing the consideration of piles of any size and subjected to any type of loading, is one of the main contributions of this work. Another contribution is about the consideration of the horizontal load in the plate-pile-soil system, directly applied to the plate, and not redistributed on the top of the piles. Therefore, the laminar structural elements (rafts, footings, and foundation blocks) are modeled by flat shell finite elements, making possible the consideration of the effects of flexion and membrane. This approach allows the analysis of both a capped pile group and a piled raft of any stiffness. The coupling between the BEM and the FEM is performed through a mixed formulation in which the matrix of the soil\'s influence coefficients obtained by the BEM is added to the stiffness matrix of the structural elements obtained by the FEM, resulting in an equivalent stiffness matrix. Numerical examples of pile-soil, plate-soil and flat shell-pile-soil interaction are solved to verify, validate and demonstrate the efficiency of the developed and implemented formulations.