[pt] Esta dissertação teve como objetivo principal verificar a aplicabilidade da metodologia de análise de envoltória de dados - DEA (Data Envelopment Analysis) - ao setor de saneamento, avaliando a eficiência das 71 maiores empresas prestadoras de serviços de água e esgoto no Brasil, segundo o número de ligações ativas de água. Adicionalmente, foi gerada uma ordenação das empresas segundo suas eficiências relativas e procurou-se indicar o aumento mínimo necessário, em cada tipo de produto, que as empresas consideradas ineficientes teriam que realizar para se tornarem eficientes. O trabalho apresenta um breve histórico do setor de saneamento no País, desde o início das primeiras empresas até o projeto atual de modernização. Descrevem-se também os conceitos e modelos básicos da DEA, necessários para entendimento do texto. A DEA foi aplicada aos dados do Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento. Os resultados são interpretados buscando-se ressaltar o potencial da metodologia para obtenção de indicadores de desempenho úteis para órgãos formuladores de políticas públicas e agências de financiamento. Análises adicionais foram feitas buscando testar a validade dos modelos, detectar a presença de economias de escala e avaliar a robustez dos resultados. Concluiu-se que a metodologia pode ser adequadamente empregada para análise do setor e auxiliar as políticas de concessão de financiamentos, oferecendo indicações iniciais para o estabelecimento de metas para melhorias. / [en] This thesis seeks to test the applicability of the DEA (Data Envelopment Analysis) methodology for assessing the managerial efficiency of Brazilian water and sewage companies. This objective was pursued by evaluating the efficiency of the 71 largest companies of water services in Brazil, in terms of the number of properties served. Additionally, the companies were ranked according to their relative efficiency, and for each inefficient company it was estimated how much increase in each one of the outputs would be necessary for rendering it efficient. The text presents a brief history of the sanitation sector in Brazil, and reviews the basic DEA concepts and models necessary for understanding the analyses.The DEA was performed on the data collected by the Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (Brazilian National Sanitation Information System). The results were interpreted stressing the potential of DEA for generating performance indicators useful for public policies and funding agencies. Further analyses were made in order to test the validity of the model, detect likely economies of scale and to assess the robustness of the results.The results suggest that DEA can be adequate for analyzing the target industry, and for contributing to public policy formation and funding decisions by offering relevant indicators for setting improvement goals.

[pt] O presente trabalho propõe uma formulação para o projeto ótimo de pilares de edifícios altos de concreto armado. São variáveis de projeto as dimensões da seção transversal e a armadura longitudinal dos pilares e a resistência característica do concreto. A fim de reduzir o tamanho desta classe de problema, a estratégia de solução em multinível é aplicada. O problema é então subdividido em um problema global de otimização conectado a uma série de subproblemas individuais de otimização. No problema global são determinadas as dimensões da seção transversal de todos os pilares e a resistência característica do concreto, enquanto que nos subproblemas individuais são determinadas apenas as armaduras longitudinais dos pilares. As variáveis dos subsistemas são freqüentemente chamadas de variáveis locais, enquanto que as variáveis do sistema global, responsáveis pela interação entre os grupos de variáveis, são denominadas variáveis globais ou de acoplamento. A função objetivo do problema de otimização é o custo total das colunas do edifício. Os edifícios são modelados como pórticos espaciais e a não-linearidade geométrica é considerado na análise estrutural. A hipótese de diafragma rígido é adotada para o comportamento das lajes e a rigidez à torção é desprezada em todas as barras do pórtico. Cargas permanentes, acidentais e devidas ao vento são aplicadas ao modelo. Restrições relativas aos estados limite último e de utilização, bem como restrições relativas aos limites máximos e mínimos atribuídos a cada variável, são impostas ao problema de otimização. Adicionalmente, impõem-se restrição sobre o parâmetro de instabilidade, caso este parâmetro seja empregado na determinação dos esforços globais de 2a ordem. Os estados limite são definidos de acordo com o código brasileiro para projeto de estruturas de concreto NBR-6118 (2003). O problema de otimização proposto é resolvido empregando-se técnicas de programação matemática. / [en] This work proposes a formulation for the optimum design of columns of reinforced concrete tall buildings. The design variables are the dimensions of the cross-sections and the amount of longitudinal reinforcement in the columns and the concrete characteristic resistance. Aiming at reducing the size of this class of problem, the multilevel optimization technique is applied so that the problem is subdivided into a global problem connected with a series of dependent subproblems. In this kind of problem, the design variables are subdivided into two groups, namely, the group of the so called global variables, represented here by the cross-section dimensions of the columns and by the concrete characteristic resistance, and the group of local variables, represented here by the areas of the longitudinal steel reinforcement in the cross-sections of the columns. Consequently, a global optimization problem is defined for the global variables, at the global level, and local independent optimization sub- problems are defined for the local design variables, at the local levels, following each iteration at the global level. The objective function of the optimization problem is the total cost of the columns of the building. The buildings are modeled as three dimensional frames and geometric nonlinear behavior is considered in the structural analysis. The assumption of rigid diaphragm is adopted for the structural behavior of the slabs and the torsional stiffness of elements is neglected. Dead, live and wind loads are applied to the model. Constraints related to ultimate and serviceability limit states, as well as lateral constraints, are imposed to the design variables. The limit states are defined according to the Brazilian Code for reinforced concrete structures NBR-6118 (2003). The solution of the optimization problem is obtained using Mathematical Programming techniques.

[pt] A exploração e produção de petróleo do Pré-sal ocorre em regiões de águas ultra profundas, com condições complexas de instalação e operação de equipamentos. A interligação dos poços, última etapa que antecede o início da operação de produção, é realizada por embarcações de alto custo, especialmente equipadas para este fim, conhecidas como PLSVs (Pipe Laying Support Vessels). Esta dissertação visa o desenvolvimento de um modelo de programação matemática capaz de alocar e sequenciar as atividades de interligação de poços submarinos em embarcações PLSV, de forma a maximizar a produção de óleo acumulada durante o horizonte de planejamento. Para tanto, foi utilizado como base um problema real enfrentado pela Petrobras, que permitiu estender a abordagem clássica baseada em máquinas paralelas, com a adição de novas restrições. Para tornar a otimização viável, foi criado um método de resolução que utiliza o conceito de blocos de atividades. Visando reduzir a complexidade de resolução, foram realizados testes utilizando apenas blocos compostos por atividades de poços próximos entre si. Tais estratégias se mostraram eficazes e o modelo foi capaz de gerar soluções de execução viável e de qualidade até 21,5 por cento superiores em produção de óleo quando comparadas à solução contruída pelos especialistas do problema. / [en] Pre-salt oil exploration and production occurs in ultra-deep water regions, with complex conditions of equipament installation and operation. The wells connections, last stage before the production phase, is carried out by high-cost vessels, specially equipped for this purpose, known as PLSVs (Pipe Laying Support Vessels). This dissertation aims to develop a mathematical programming model to assign and schedule a PLSV fleet, in order to maximize the oil production during the planning horizon. For this purpose, a real problem faced by Petrobras was used, which allowed to extend the classic parallel machine approach, adding new constraints to the problem. To make the optimization feasible, a resolution method was created using the activities blocks concept. In order to reduce the resolution complexity, tests were performed using blocks composed by activities of wells close to each other. These strategies were effective, generating solutions with quality up to 21.5 percent higher (in oil production) when compared to the solution built by the problem specialists.

[pt] O aumento expressivo no consumo de combustíveis no Brasil trouxe grandes desafios para a cadeia de suprimento no país. Ao longo dos últimos cinco anos (2009-2013), o mercado brasileiro de gasolina e diesel cresceu 62,8 porcento e 32,0 porcento, respectivamente. Porém, os investimentos em produção e infraestrutura não acompanharam este crescimento, tornando estes desafios cada vez maiores. Na região Nordeste do país, que é suprida majoritariamente por cabotagem, a infraestrutura para movimentação dos derivados de petróleo está aquém daquela necessária, trazendo ineficiências à cadeia de suprimentos e aumentando significativamente os custos envolvidos nas operações. Para avaliação do suprimento desta região, foi proposto um modelo de programação matemática que considera todas as restrições que impactam diretamente o suprimento de gasolina e diesel, identificando inclusive aquelas restrições que são ocasionadas por outros agentes da cadeia, como por exemplo, insuficiência de tancagem dos clientes, restrição de calados dos portos e elevadas taxas de ocupação dos portos públicos, aumentando os custos de sobrestadia. Para complementar a análise, alternativas para direcionamento de investimento dos distribuidores de forma eficiente, minimizando os custos da cadeia de suprimento, foram avaliadas. O modelo também foi utilizado na discussão dos níveis de serviço praticados pela Petrobras no atendimento da demanda de gasolina e diesel nos polos da região. O trabalho teve uma abordagem da cadeia de suprimento voltada para o planejamento tático, se mostrando como uma ferramenta eficiente para suporte à tomada de decisões. / [en] The significant increase of fuel consumption in Brazil has brought major challenges to the supply chain in the country. Over the last five years (2009- 2013), the Brazilian market for gasoline and diesel has increased 62.8 percent and 32.0 percent, respectively. However, investments in production and infrastructure have not kept up this growth, increasing the challenges. In the Northeast region of the country, which is supplied largely by coastal shipping, the infrastructure for the petroleum products movement falls short of what is needed bringing several inefficiencies to the supply chain and significantly increasing the costs involved in operations. To assess the supply of this region, a mathematical programming model was proposed which considers all the constraints that directly impact the supply gasoline and diesel, including identifying those constraints that are caused by other actors in the chain, such as insufficient costumer s tankage, draught restriction of ports and high occupancy rates of public ports, raising the cost of demurrage. To complement the analysis, alternative scenarios to allocate the distributor s investments efficiently were evaluated to minimize the costs of the supply chain. The proposed model was also used to discuss the service levels committed by Petrobras in meet the demand for gasoline and diesel at the region. The study had an approach to supply chain oriented for tactical planning, showing as an efficient tool to support decision making.

Urban environments have been identified as a non-point source contributor of nutrient loadings into watersheds. Interannual surges of nutrient loadings into local water systems are more damaging than mean interannual nutrient loadings. Virginia has outlined the need to reduce urban nutrient loadings. Mean interannual nutrient loadings and interannual nutrient loadings variability are expected to increase under climate change (CC). However, there are few studies that provide a predictive framework for abating nutrient loadings under CC. Thus, there is a lack of information regarding how effective water quality policy will be in the future. Using the Difficult Run watershed in Fairfax County, VA, as a site of study, we used mathematical programming to compare how the costs of abating nutrient loads differed under differing climates in the Mid-Atlantic. We first compared the costs of abating mean interannual nutrient loadings in the watershed based on historical climate conditions to those predicted for CC. We then evaluated how changes in the interannual variability of nutrient loadings for CC affect the costs of meeting watershed goals. We found that abating mean interannual nutrient loadings was substantially costlier for CC relative to meeting the same goals under historical climate conditions. Further, we found that the costs of abating interannual nutrient loadings variability increased under CC relative to meeting the same goals under historical climate. One implication of this study suggests that policy makers seeking to meet water quality goals over time must front-load supplemental BMPs today in order to offset the changes predicted for CC. / Master of Science

[pt] Muitas organizações de produção por projeto (i.e., também conhecidas pela sigla inglesa ETO, engineering-to-order) são sistemas de produção multi-projeto em que o planejamento da capacidade, na fase de negociação de novos pedidos, é de suma importância. A literatura acadêmica, nesta área, apresenta uma lacuna entre teoria e prática em função da falta de estudos sobre a aplicação de ferramentas de apoio à tomada de decisão para resolver problemas de planejamento de capacidade em ambientes reais de produção ETO. Dentro deste contexto, o objetivo deste trabalho é desenvolver uma solução para o planejamento tático da capacidade produtiva, apoiando essa fase de negociação, numa organização multi-projeto fabricante de equipamentos especiais sob encomenda. Este estudo envolve o desenvolvimento de modelos de programação linear inteira mista e sua aplicação para resolver problemas de planejamento da produção na organização estudada. Quanto às contribuições teóricas desta tese, é apresentado um modelo determinístico em que são consideradas questões de modelagem não totalmente exploradas em outros estudos ou que tem de ser adaptadas às especificidades do contexto estudado, como a representação da capacidade extra, de processos com múltiplos estágios e a relação de precedência entre as atividades. Além disso, um modelo de otimização robusta, baseado na abordagem proposta por Bertsimas e Sim (2004), estende esse modelo determinístico, considerando incertezas relativas aos tempos de processamento das atividades. Os modelos foram alimentados com dados do mundo real e executados para fins de validação de sua utilidade para resolver o problema de planejamento em questão. Cenários alternativos também foram gerados para apoiar a tomada de decisão dos gestores dessa empresa na fase de negociação de novos pedidos. Com relação às implicações práticas, para a equipe de planejamento da empresa, a solução proposta aprimora o processo de tomada de decisão no que tange o planejamento tático da capacidade produtiva. A solução, além de resolver algumas deficiências do método de planejamento atual da empresa, fornece informações mais detalhadas sobre o problema, permite a intervenção do gestor na construção dos planos de capacidade e incorpora dados relativos à variabilidade nos tempos de processamento permitindo assim uma postura pró-ativa mediante as incertezas. Resultados empíricos mostram que, com um aumento relativamente pequeno no custo (0.02 porcento), um componente deveria ser preferencialmente produzido na própria empresa (ao invés de ser subcontratado). Além disso, com um aumento de 0.8 porcento no custo (o que inclui a contratação de 21 porcento a mais de mão-de-obra direta), a probabilidade de violação dos planos de produção é reduzida de 90 porcento para 15 porcento, representando um plano mais estável e protegido contra incertezas. Do ponto de vista acadêmico, esta pesquisa acrescenta evidências empíricas para enriquecer a literatura existente, uma vez que não só apresenta um caso real, mas também destaca questões que devem ser consideradas e gerenciadas em um contexto do mundo real para que se possa desenvolver e implementar técnicas adequadas para lidar com o problema de planejamento estudado. / [en] Many engineering-to-order (ETO) organizations are multi-project capacity-driven production systems in which capacity planning is of major importance in the order acceptance phase. The academic literature, in this area, presents a research-practice gap with a lack of studies on the application of decision support tools to address capacity planning problems in real-world ETO settings. Within this context, the goal of this thesis is to develop a tactical capacity planning solution to support the order acceptance phase of a real-world multi-project organization that produces customised equipments on the basis of ETO policy. This research study lays in the development of mixed integer linear programming models and their practical application to solve production planning problems in the studied organization. As for the theoretical contributions of this thesis, first a deterministic model is presented in which modelling issues that are either not entirely explored in other studies or that have to be adapted to the specificities of the studied setting are taken into account. Moreover, a robust optimization model extends the former model by considering uncertainties of the planning problem. The models were fed with real-world data and solved in order to check whether they actually reflect the planning problem. Furthermore, alternative scenarios were also generated to assist the management board in the order acceptance phase. As for practical implications, for the company s manufacturing planning team, the proposed solution enhanced the decision-making process regarding tactical capacity planning, addressing different shortcomings of the company s current planning method. Empirical results suggest that with a slight increase in cost (0.02 percent) a part component should be processed in-house instead of being outsourced and that with a 0.8 percent increas in cost (which includes hiring 21 percent more personnel) the probability of violating the production plans decreases from 90 percent to 15 percent, representing a much more stable (protected against uncertainty) situation. From an academic perspective, this research adds empirical evidence to enrich the existing literature, as it not only presents a real case application, but also highlights issues that must be considered and managed in a real-world context in order to develop and implement appropriate techniques to cope with the aforementioned planning problem.

[pt] O objetivo deste trabalho é apresentar uma formulação e uma correspondente implementação computacional para otimização de dimensões de estruturas evitando os problemas de instabilidade apresentados pela formulação convencional. Para atingir este objetivo, a formulação utilizada considera os efeitos da não-linearidade geométrica no comportamento da estrutura e inclui uma restrição sobre a carga de colapso. Elementos finitos reticulados planos e a formulação Lagrangiana Atualizada forma utilizados para análise de estruturas com comportamento geometricamente não- linear. As varáveis de projeto são as alturas das seções transversais dos elementos. O método de Newton-Raphson é utilizado acoplado a diferentes estratégias de incremento de carga e de iteração,tais como as que utilizam a restrição do comprimento de arco e as baseadas no controle dos deslocamentos generalizados, que permitem a ultrapassagem de pontos críticos que possam existir ao longo da trajetória de equilíbrio. Os algoritmos de programação matemática utilizados neste trabalho empregam os gradientes da função objetivo e das restrições, que são calculados com base nos gradientes das respostas da estrutura. Partindo-se das equações gerais de equilíbrio válidas para qualquer elemento, foram desenvolvidas expressões analíticas aproximadas que permitem o cálculo das sensibilidades em relação as variáveis de projeto aproveitando as características da análise. / [en] The aim of this work is to present a formulation and corresponding computational implementation for the sizing optimization of structures. To achieve this goal, the formulation considers the structural geometric nonlinear behavior and include a constraint related to the collapse load. Plane frame finite elements and Updated Lagrangian approach are used for the geometric nonlinear analysis. The standard Newton-Raphson method, in connection with different load increment strategies and iteration, such as use the arch length method and strategies based on the control of generalized displacements, which allow the algorithm to transpose the critical points that happen to appear along the equilibrium path. The mathematical programming algorithms applied in this work make use of the gradients of the objective function and of the constraints, which depend on the gradients of the structural response. Starting from general equilibrium equations for the Update Lagrangian approach, valid for any finite element, approximate analytical expressions for the sensitivity analysis whit respect of design variables were developed taking advantage of the structural characteristics.

[pt] Estruturas treliçadas espaciais são arranjos geométricos de barras amplamente utilizados em coberturas de edificações. Diversos fatores favorecem o seu uso, tais como a capacidade de vencer grandes vãos e a facilidade em assumir diversas formas. A busca pela geometria ótima é um objetivo importante no projeto de estruturas, onde o interesse principal é minimizar o custo da estrutura. O objetivo deste trabalho é apresentar um sistema computacional capaz de minimizar o peso de estruturas treliçadas cuja geometria é definida por curvas de Bézier. Portanto, os pontos de controle das curvas de Bézier são utilizados como variáveis de projeto. As áreas das seções transversais das barras e a altura da treliça também são consideradas como variáveis de projeto e restrições sobre a tensão de escoamento e a tensão crítica de Euler são impostas no problema de otimização. A estrutura é analisada por meio do método dos elementos finitos considerando a hipótese do comportamento linear físico e geométrico. Os algoritmos de otimização usados neste trabalho utilizam o gradiente da função objetivo e das restrições em relação às variáveis de projeto. O sistema computacional desenvolvido neste trabalho foi escrito em linguagem MATLAB e conta com uma integração com o SAP2000 por meio da OAPI (Open Application Programming Interface). Os resultados numéricos obtidos demonstram a eficiência e a aplicabilidade deste sistema. / [en] Spatial truss structures are geometrical arrangements of bars widely used in building roofs. Several factors favor their use, such as the ability to overcome large spans and the capability of assuming a variety of configurations. The search for optimal geometry is an important goal in the design of structures, where the main interest is to minimize the cost of the structure. The objective of this work is to present a computational system capable of minimizing the weight of truss structures whose geometry is defined by Bézier curves. Therefore, the control points of the Bézier curves are used as design variables. The cross-sectional areas of the bars and the truss height are also considered as design variables and constraints on the yield stress and Euler critical stress are imposed on the optimization problem. The structure is analyzed using truss elements considering the physical and geometric linear behavior. The optimization algorithms used in this work require the gradient of the objective function and constraints with respect to the design variables. The computational system developed in this work was written in MATLAB and has an integration with SAP2000 through the OAPI (Open Application Programming Interface). The obtained numerical results demonstrate the efficiency and applicability of the developed system.