[pt] O setor elétrico brasileiro é fortemente dependente da energia hidrelétrica e a predição acurada das séries de vazões é essencial para o planejamento e gestão de risco. Recentemente, os modelos híbridos, que combinam técnicas de previsão e pré-processamento de dados, têm se destacado. Entretanto, na literatura, não há consenso sobre a superioridade de previsão destes modelos em relação aos tradicionais (puros). Este trabalho visa contribuir para literatura com a avaliação de performance de previsão e a adequabilidade de modelos puros e híbridos para séries mensais estacionárias e não estacionárias de vazões. Para isso, foram construídos modelos usando as técnicas de previsão de Redes Neurais Artificiais e ARIMA acoplados com as técnicas de pré-processamento de dados Singular Spectrum Analysis (SSA) e Seasonal and Trend decomposition based on Loess (STL). Como resultado, este estudo mostra para a série de Belo Monte (estacionária) os modelos puros obtiveram um melhor desempenho, já para a série de Sobradinho (não estacionária) os modelos híbridos foram os melhores. / [en] The Brazilian electricity sector is strongly dependent on hydropower and the accurate prediction of streamflow series is essential for planning and risk management. Recently, hybrid models, which combine prediction and data preprocessing techniques, have stood out. However, in the literature there is no consensus on the predictive superiority of these hybrid models versus their pure version. This paper aims to contribute to the literature with the evaluation of prediction performance suitability of pure and hybrid models for monthly stationary and non - stationary series of streamflow. For this, models were constructed using Artificial Neural Network and ARIMA forecasting techniques coupled with the Singular Spectrum Analysis (SSA) and Seasonal and Trend decomposition based on Loess (STL) data pre-processing techniques. As a result, this study shows that pure models obtained a better performance for the Belo Monte (stationary series), already hybrid models were the best for the Sobradinho (non-stationary series).

[pt] O Método Híbrido dos Elementos de Contorno foi introduzido em 1987. Desde então, o método foi aplicado com sucesso a diferentes tipos de problemas de elasticidade e potencial, inclusive problemas dependentes do tempo. Esta Tese apresenta uma tentativa para consolidar a formulação simplificada do Método Híbrido dos Elementos de Contorno para a análise geral da resposta dinâmica de sistemas elásticos. Baseado em um método de superposição modal, um conjunto acoplado de equações diferenciais de movimento de alta ordem é transformado em um conjunto desacoplado de equações diferenciais de segunda ordem que podem ser integradas normalmente por meio de procedimentos conhecidos. Este método também é uma extensão de uma formulação introduzida por J. S. Przemieniecki, para a análise de vibração livre de barras e elementos de viga baseada em uma série de freqüências. O método trata estruturas restringidas, com condições iniciais não homogêneas dadas como valores nodais e também através de campos prescritos no domínio, assim como forças genéricas de massa (além de forças inerciais). Esta tese também tem por objetivo estabelecer a consolidação conceitual da aplicação da versão simplificada do Método Híbrido dos Elementos de Contorno a materiais com gradação funcional. São obtidas várias classes de soluções fundamentais para problemas de potencial dependentes e independentes do tempo, para a análise no domínio da freqüência combinada com uma técnica avançada (mencionada acima) de superposição modal baseada em séries de freqüências. Com isso, consegue- se a utilização de integrais somente no contorno mesmo para materiais heterogêneos. Apresenta-se um grande número de resultados numéricos de problemas bidimensionais, para validação dos desenvolvimentos teóricos realizados. / [en] The hybrid boundary element method was introduced in 1987. Since then, the method has been successfully applied to different problems of elasticity and potential, including time-dependent problems. This thesis presents an attempt to consolidate a formulation for the general analysis of the dynamic response of elastic systems. Based on a mode- superposition technique, a set of coupled, higher-order differential equations of motion is transformed into a set of uncoupled second order differential equations, which may be integrated by means of standard procedures. The first motivation for these theoretical developments is the hybrid boundary element method, a generalization of T. H. H. Pian`s previous achievements for finite elements, which, requiring only boundary integrals, yields a stiffness matrix for arbitrary domain shapes and any number of degrees of freedom. The method is also an extension of a formulation introduced by J. S. Przemieniecki, for the free vibration analysis of bar and beam elements based on a power series of frequencies. It handles constrained and unconstrained structures, non-homogeneous initial conditions given as nodal values as well as prescribed domain fields and general domain forces (other than inertial forces). This thesis also focuses on establishing the conceptual framework for applying the simplified version of the hybrid boundary element method to functionally graded materials. Several classes of fundamental solutions for steady-state and time-dependent problems of potential are derived for a frequency-domain analysis combined with an advanced mode superposition technique based on a power series of frequencies. Thus, the boundary-only feature of the method is preserved even with such spatially varying material property.Several numerical examples are given in terms of an efficient patch test for irregular bounded, unbounded and multiply connected regions submitted to high gradients.

[pt] O presente trabalho investigou o comportamento mecânico de compósitos cimentícios do tipo SHCC (Strain Hardening Cementitious Composites) de resistência comum e alta resistência, reforçados com fibras de PVA, UHMWPE (polietileno de peso molecular ultra-elevado), aço e reforços híbridos. Para o estudo, o volume total de fibras foi mantido constante em 2,0 por cento, com objetivo de manter a trabalhabilidade dos compósitos. As fibras de PVA e polietileno foram parcialmente substituídas por fibras de aço na proporção de 0,5 por cento e 1,0 por cento e a resposta mecânica foi estudada a partir de ensaios de tração direta, flexão de quatro pontos em placas e ensaios de flexão de três pontos em prismas com entalhe. O padrão de fissuração foi analisado utilizando imagens de alta resolução. O efeito escala dos compósitos reforçados com fibras de PVA e polietileno também foi investigado através de ensaios de tração direta e de flexão de quatro pontos utilizando dois tamanhos de corpos de prova. Os resultados mostraram que as fibras de PVA têm melhor desempenho que as fibras de polietileno para matrizes de resistência comum e que para ambas as matrízes, a substituição parcial das fibras de polietileno e PVA por fibras de aço tem o benefício de aumentar a resistência, mas promove redução na capacidade de deformação dos compósitos. O estudo sobre o efeito-escala também mostrou que a resposta mecânica destes materiais muda com a geometria dos corpos de prova. Por último, os compósitos foram utilizados como materiais de reparo estrutural em vigas submetidas a dano prévio e os resultados mostraram a viabilidade da utilização do SHCC como material de reparo. / [en] The present work investigated the mechanical behavior of normal and highstrength Strain Hardening Cementitious Composites (SHCC) reinforced with PVA, UHMWPE (ultra-high molecular weight polyethylene), steel and hybrid fibers. For the study, the total volume of fibers was kept constant at 2.0 percent in order to maintain the workability of the composite system. PVA and polyethylene were partially replaced by steel fibers in 0.5 percent and 1.0 percent. The mechanical response was measured under direct tension tests, four-point bending tests on plates and three point-bending tests on notched specimens. The crack pattern was investigated using high resolution image capturing procedure. The size-effect of the composites reinforced with PVA and polyethylene fibers was also investigated under direct tension test and four-point bending tests using two sizes of specimens. The results have shown that PVA fibers have a better performance than polyethylene fibers for normal strength matrices and that for both normal and high strength matrices the partial replacement of polyethylene and PVA fibers by steel fibers has the benefit of increasing the strength, but it reduces the strain capacity of the composites. The investigation about the size-effect also have shown that mechanical response of these composites changes with the geometry of the specimens. Finally, the composites were used as structural repair in beams subjected to previous damage and the results verified the feasibility of SHCC as a repair material.

[pt] O campo de estudo com estruturas origami tem crescido nos últimos anos como soluções inovadoras para problemas em ciência e engenharia. As primeiras aplicações aproveitaram a ideia de que um sistema estrutural pode ser dobrado de forma compacta e subsequentemente estendido, ou que a automontagem pode ser usada para construir uma estrutura tridimensional inspirada em uma folha fina. O presente trabalho apresenta comparações entre o modelo de barra e dobradiça com os modelos mais simples possíveis de elementos finitos híbridos de placa e casca para a representação de painéis de estruturas origami. O modelo de barra e dobradiça traz uma abordagem baseada na modelagem do estado parcialmente dobrado de painéis com uma estrutura de treliça articulada, onde as dobras são as barras, e os vértices as articulações. Os modelos de casca e placa utilizam a formulação híbrida dos elementos finitos, que tem como base o potencial de Hellinger-Reissner, que permite a aproximação dos campos de tensões satisfazendo a equação de equilíbrio do problema de elasticidade, e campos de deslocamento que atendem a compatibilidade no contorno. Exemplos numéricos mostram o comportamento mecânico dessas estruturas e a energia para realização das dobras através de autovalores dos respectivos automodos. É feita também uma avaliação dinâmica dos modelos para montagens estruturais com uma, duas e quatro células. / [en] Research works involving structural origami have grown in recent years, especially applied to science and engineering problems. Early applications took advantage of the idea that a system can be folded compactly and subsequently deployed, and that self-assembly can be used to construct a three dimensional structure by starting from a thin sheet. The present work compares bar and hinge models with the simplest hybrid finite element models for plate and shell in order to represent origami structure panels. The hybrid finite element formulation is based on the Hellinger-Reissner potential for an approximation of the stress field, thus satisfying the equilibrium equation of the elasticity problem in the domain. The bar and hinge model approach, as given in the literature, is based on folded patterns as pin-jointed truss frameworks. Each vertex in the folded sheet is represented by a pin-joint, and every fold line by a bar element. Numerical examples show the mechanical behavior of these structures and the folding energy using eigenvalues of the respective eigenmodes. Dynamic analysis of the models is also carried out for structure assemblages with one, two and four cells.

[pt] O método híbrido de elementos finitos, proposto por Pian com base no potencial de Hellinger-Reissner, provou ser um avanço conceitual entre as formulações de discretização, tendo sido explorado extensivamente desde então por códigos acadêmicos e comerciais, também levando em conta uma série independente dos mais recentes desenvolvimentos chamados métodos de Trefftz. O método híbrido de elementos de contorno é uma generalização bem sucedida da formulação original de Pian, em que funções de Green são usadas como funções de interpolação no domínio, possibilitando assim a modelagem robusta e precisa de formas arbitrárias submetidas a vários tipos de ações.Mais recentemente, uma proposição de Przemieniecki - para a análise geral de vibração livre de elementos de treliça e viga - foi incorporada à formulação de elementos híbridos de contorno e estendida para a análise de problemas dependentes do tempo fazendo uso de um processo de superposição modal avançada que leva em conta condições iniciais gerais assim como ações de corpo gerais, além de efeitos inerciais. A presente contribuição pretende trazer para elementos finitos os melhoramentos conceituais obtidos no contexto do método híbrido de elementos de contorno. Uma grande família de macro elementos finitos híbridos é introduzida para o tratamento unificado em 2D e 3D, de problemas estáticos e transientes de elasticidade e potencial com base nas soluções fundamentais não-singulares. É também mostrado que materiais nãohomogêneos, como os novos materiais com gradação funcional, podem ser tratados consistentemente, pelo menos para problemas de potencial. Alguns exemplos numéricos simples são apresentados como ilustração dos desenvolvimentos teóricos. / [en] The hybrid finite element method, proposed by Pian on the basis of the Hellinger-Reissner potential, has proved itself a conceptual breakthrough among the discretization formulations, and has been extensively explored both academically and in commercial codes also taking into account an independent series of more recent developments called Trefftz methods. The hybrid boundary element method is a successful generalization of Pian´s original formulation, in which Green´s functions are taken as interpolation functions in the domain, thus enabling the robust and accurate modeling of arbitrarily shaped bodies submitted to several types of actions. More recently, a proposition by Przemieniecki - for the generalized free vibration analysis of truss and beam elements - was incorporated into the hybrid boundary element formulation and extended to the analysis of time-dependent problems by making use of an advanced mode superposition procedure that takes into account general initial conditions as well as general body actions, besides the inertial effect. The present contribution aims to bring to finite elements the conceptual improvements obtained in the frame of the hybrid boundary element method. A large family of hybrid, macro finite elements is introduced for the unified treatment of 2D and 3D, static and transient problems of elasticity and potential on the basis of nonsingular fundamental solutions. It is also shown that nonhomogeneous materials, as the novel functionally graded materials, may be dealt with consistently, at least for potential problems. Some simple numerical examples are shown to illustrate the theoretical developments.

[pt] Existe uma crescente demanda por modelos dinâmicos precisos, parte impulsionada pelo paradigma da indústria 4.0 que introduz, dentre outros, o conceito de gêmeo digital no qual modelos dinâmicos possuem um papel importante. Idealmente, um modelo dinâmico apresenta um compromisso entre complexidade e precisão, enquanto proporciona informações sobre a física do sistema. Para melhorar a precisão de um modelo mantendo a interpretabilidade, a abordagem usual é modelar matematicamente todas não-linearidades, o que leva a um modelo muito complexo. Outra abordagem envolve identificação caixa-preta, uma abordagem onde um modelo matemático é ajustado para descrever a relação de entrada e saída do sistema, a qual pode fornecer um modelo preciso, porém não interpretável. Os avanços na capacidade de processamento computacional permitiram o florescimento da area de aprendizado de máquinas, a qual tem mostrado resultados interessantes em diferentes campos do conhecimento. Uma dessas aplicações é em identificação caixa-preta, onde o aprendizado de máquinas tem sido empregado com sucesso na modelagem de sistemas não-lineares, o que tem inspirado pesquisas sobre o tema. Apesar dos modelos baseados em aprendizado de máquina apresentarem elevada precisão, o que é suficiente para diversas aplicações, eles não são interpretáveis. Dessa forma, visando obter modelos que possuem ambas as características de precisão e interpretabilidade, enquanto mantém um compromisso com a complexidade, esta tese propõe uma metodologia de identificação híbrida que combina um modelo fenomenológico caixa cinza com um modelo caixa preta baseado em redes neurais artificiais. A metodologia proposta é aplicada em três casos de estudo de sistemas não lineares com dados experimentais, a saber, a dinâmica vertical de um veículo, um atuador com junta flexível baseado em elastômero e um sistema de posicionamento eletromecânico. Os resultados mostram que o modelo híbrido proposto é até 60 por cento mais preciso enquanto proporciona a interpretabilidade física do sistema, sem aumentar significativamente a complexidade do modelo. / [en] There is a growing demand for accurate dynamic models, driven by the Industry 4.0 paradigm that introduces, among others, the concept of the digital twin in which dynamic models play an important role. Ideally, a dynamic model presents a compromise between complexity and accuracy, while providing physical insight into the system. To improve a model accuracy while keeping interpretability, the usual approach is to mathematically model all the nonlinearities, which ultimately leads to an overcomplex model. Another approach involves a black-box identification, a data-driven approach where a mathematical model is adjusted to describe the system s input-output relation, which may provide an accurate model, but it does not provide interpretability. The developments in computational processing capacity have allowed the flourishing of the field of machine learning, which has shown interesting results in different fields of knowledge. One of these applications is black-box identification, where machine learning has successfully been employed in the modeling of nonlinear systems, which has inspired research on the topic. Even though the machine-learning-based models present enhanced accuracy, which for several applications is sufficient, they do not provide interpretability. Aiming at providing both accuracy and interpretability while keeping a compromise with model complexity, this work proposes a hybrid identification methodology that combines a gray-box phenomenological model with a black-box model based on artificial neural networks. The proposed methodology is applied in three case studies of nonlinear systems with experimental data, namely, the vertical dynamics of a vehicle, an elastomer-based series elastic actuator, and an electromechanical positioning system. The results show that the proposed hybrid model is up to 60 percent more accurate while providing the physical interpretability of the system, without significantly increasing the complexity of the model.

[pt] A formulação híbrida dos elementos finitos, proposta por Pian, com base no princípio variacional de Hellinger-Reissner, mostrou-se uma ótima alternativa para a construção de elementos finitos eficientes que atendessem a condições tanto de compatibilidade como de equilíbrio. O potencial de Hellinger-Reissner consiste na aproximação de dois campos: um campo tensões que satisfaz, a priori, as equações diferenciais homogêneas de equilíbrio do problema, e um campo de deslocamentos que atende a compatibilidade ao longo do contorno. O conjunto de funções não-singulares que satisfazem as equações governantes de um problema é conhecido como soluções fundamentais ou soluções de Trefftz, e é a base para a interpolação do campo de tensões no método híbrido de elementos finitos. O presente trabalho apresenta uma metodologia geral para a formulação de uma família de elementos finitos híbridos poligonais de membrana para problemas de elasticidade bidimensional, assim como elementos finitos híbridos simples e eficientes a para análise numérica de problemas de placa de Kirchhoff e Mindlin-Reissner. Algumas contribuições conceituais são introduzidas nas soluções fundamentais para a correta concepção dos elementos híbridos em problemas de placa espessa. O desempenho dos elementos é avaliado através de alguns exemplos numéricos, os quais os resultados são confrontados com os de outros elementos encontrados na literatura. / [en] The hybrid finite element formulation, proposed by Pian, on the basis of the Hellinger-Reissner variational principle, has proved to be a good alternative for the development of efficient finite elements that best attend compatibility and equilibrium conditions. The Hellinger-Reissner potential assumes two trial fields: a stress field that satisfies the equilibrium homogenous differential equation in the domain and a displacement field that attends the compatibility along the boundary. The set of nonsingular functions that satisfy the governing equations of the problem is known as Trefftz or fundamental solutions. This work presents a general methodology for the formulation of a family of polygonal hybrid elements for plane strain problems, as well as simple and efficient plate elements for the numerical evaluation of Kirchhoff and Mindlin-Reissner plate problems. Conceptual approaches are introduced for the correct use of fundamental solutions in the plate elements formulation. The performance of the proposed hybrid elements is assessed by means of several numerical examples from the literature.

[pt] Em esta tese se constrói o conceito de Hibridações tectônicas analisando criticamente a arquitetura latino-americana na interculturalidade, a partir de três casos referenciais. A contracorrente dos pactos hegemónicos da construção civil y dos referentes ocidentais de arquitetura contemporânea, em latino-américa temos conseguido inovar e desenvolver uma arquitetura singular que gera identidade em sua localidade particular. Inovações no uso de materiais e técnicas geram novas expressões que conseguem manter o diálogo com a pré-existência e ao mesmo tempo cria nova arquitetura contemporânea num processo dialógico entre o tradicional e moderno, rural e urbano, local e global, artesanal e industrial, culto e popular, superando as separações binarias para criar hibridações singulares, analisadas aqui segundo a óptica que propõe o antropólogo Néstor García Canclini como processos de hibridação, e desde a tectónica, conceito que propõe o crítico de arquitetura Kenneth Frampton, valorizando os processos de transformação e definindo na essência construtiva a historia da arquitetura contemporânea latinoamericana. / [es] En esta tesis se construye el concepto de Hibridación tectónica analizando críticamente la arquitectura latinoamericana en la interculturalidad, a partir de tres casos referenciales. A contracorriente de los pactos hegemónicos de la construcción civil y de los referentes occidentales de arquitectura contemporánea, en Latinoamérica hemos sabido innovar y desarrollar una arquitectura singular que genera identidad en su localidad particular. Innovaciones en el uso de materiales y técnicas generan nuevas expresiones que logran mantener el diálogo con la preexistencia a la vez de crear nueva arquitectura contemporánea en un proceso dialógico entre lo tradicional y moderno, rural y urbano, local y global, artesanal e industrial, culto y popular, superando las separaciones binarias para crear hibridaciones singulares, analizadas aquí según la óptica que propone el antropólogo Néstor García Canclini como procesos de hibridación, y desde la tectónica, concepto que propone el crítico de arquitectura Kenneth Frampton, valorizando los procesos de transformación y definiendo en la esencia constructiva la historia de la arquitectura contemporánea latinoamericana.

[pt] O objetivo deste trabalho é ser uma contribuição ao entendimento dos mecanismos envolvidos na migração por gravidade dos compostos orgânicos chamados de DNAPLs, quando eles são liberados em meios porosos e em meios porosos fraturados, para aportar ao desenvolvimento de tecnologias efetivas orientadas principalmente à localização e à remediação do sistema subterrâneo contaminado. Primeiramente são apresentados os conceitos elementares envolvidos nos modelos matemáticos que descrevem o fluxo bifásico em meios porosos, o processo de modelagem de um problema geral da natureza, os modelos conceituais, os matemáticos e os numéricos, e a aplicabilidade dos modelos conceituais conforme a considerações de escala. Em segundo lugar, são desenvolvidas as equações matemáticas que governam os fenômenos em estudo e são apresentadas as soluções às equações governantes a partir de técnicas computacionais e esquemas de integração numérica. As equações do fluxo bifásico são resolvidas mediante técnicas de elementos finitos mistos hibridizados (EFHM) e elementos finitos descontínuos (GD), e as equações do transporte de contaminantes são resolvidas mediante a técnica dos elementos finitos convencionais (EF). Seguidamente são avaliados numericamente problemas de transporte de contaminantes em 1D e 2D, problemas de transporte de contaminantes com transferência de massa, problemas de fluxo bifásico em 2D, e problemas acoplados envolvendo tanto fluxo bifásico como transporte de contaminantes com transferência de massa. Finalmente, são apresentadas as conclusões do trabalho desenvolvido bem como sugestões para trabalhos futuros. / [en] The objective of this work is to contribute to the understanding of the mechanisms involved in the gravity migration of organic compounds, called DNAPLs, when they are released in a porous media and in a fractured porous media, and to contribute to the development of effective technologies mainly oriented to the location and remediation of contaminated underground system. Firstly, some basic concepts are presented, especially those involved in the mathematical models that describe the two-phase flow in porous media, the conceptual models, the mathematical models, as well as the numerical models. Secondly, the mathematical equations that govern the phenomena under study are developed and the solutions to the governing equations from computational techniques and numerical integration schemes are presented. The biphasic flow equations are solved using mixed and hybridized finite element techniques (EFHM) and discontinuous finite element (GD), and the contaminant transport equations are solved by the conventional technique of finite element (FE). Then, some problems are numerically evaluated in 1D and 2D, such as transport of contaminants with and without mass transfer, two-phase flow problems in 2D, and attached problems involving both biphasic flow and contaminant transport with mass transfer. Finally, the conclusions of this thesis as well as the suggestions for future works are presented.

[pt] Apresenta-se uma formulação do método híbrido dos elementos de contorno para a análise de problemas planos de potencial e de elasticidade que, apesar de completamente geral para domínios finitos, é mais apropriada a aplicações de mecânica da fratura. A formulação exige integrações apenas ao longo do contorno e usa como soluções fundamentais, para interpolar campos no domínio, funções generalizadas do tipo Westergaard, inspiradas numa proposta feita por Tada et al. em 1993. Os conceitos de elementos de contorno são semelhantes aos conceitos apresentados por Crouch e Starfield em 1983, mas em um contexto variacional que permite interpretações mecânicas das equações matriciais resultantes. Problemas de topologia geral podem ser modelados, como ilustrado para domínios infinitos ou multiplamente conexos. A formulação é diretamente aplicável à solução de problemas de placas com entalhes ou trincas curvas internas ou de bordo, pois permite a descrição adequada de altos gradientes de tensão, sendo uma ferramenta simples para a avaliação de fatores de intensidade de tensão. Além disso, é possível determinar, num processo iterativo, a zona plástica ao redor da ponta de uma trinca. Esta tese tem foco no desenvolvimento matemático da formulação para problemas de potencial e de elasticidade. Vários exemplos numéricos de validação são apresentados. / [en] A particular implementation of the hybrid boundary element method is presented for the two dimensional analysis of potential and elasticity problems, which, although general in concept, is suited for fracture mechanics applications. The formulation requires integrations only along the boundary and uses fundamental solutions to interpolate fields in the domain. Generalized Westergaard stress functions, as proposed by Tada et al in 1993, are used as the problem s fundamental solutions. The proposed formulation leads to displacement-based concepts that resemble those presented by Crouch and Starfield, although in a variational framework that leads to matrix equations with sound mechanical meanings. Problems of general topology, such as in the case of unbounded and multiply-connected domains, may be modeled. The formulation, which is directly applicable to notches and generally curved, internal or external cracks, is especially suited for the description of the stress field in the vicinity of crack tips and is an easy means of evaluating stress intensity factors. The plastic phenomenon is taken into account around the crack tip through an iterative process. This thesis focuses on the mathematical fundamentals of the formulation of potential and elasticity problems. Several validating numerical examples are presented.