[pt] A grande maioria das obras geotécnicas, tais como algumas fundações, aterros e escavações, apresentam uma configuração geométrica tipicamente tridimensional. No entanto, em função da complexidade da obtenção de soluções considerando os aspectos inerentes à condição de deformação e tensão tridimensionais, as análises destas obras têm sido comumente realizadas adotando-se as aproximações de deformação plana e/ou axissimétrica. Esta dissertação apresenta um modelo computacional baseado na formulação em deslocamento do método dos elementos finitos para a simulação de problemas mecânicos de equilíbrio estático de obras geotécnicas em condição tridimensional. São ressaltados os problemas de capacidade de carga de fundações superficiais e a simulação da construção de aterros. O solo é considerado como um material não linear elasto-plástico e os modelos não associados Mohr-Coulomb modificado e Lade-Kim são adotados para representar sua relação tensão-deformação resistência. As estratégias de solução não linear, tanto a nível global quanto em nível de ponto de Gauss, são apresentadas e discutidas. Os exemplos de capacidade de carga das fundações superficiais são comparados com os resultados da teoria do equilíbrio limite e da análise limite indicando bons resultados. O efeito da tensão intermediária na trajetória de tensão é apresentado e discutido nos exemplos de simulação da construção de aterros. / [en] The vast majority of geotechnical works, such as some foundations, embankments and excavations, show a typical three-dimensional geometric configuration. However, depending on the complexity of obtaining solutions considering the aspects inherent to the three-dimensional deformation and stress, the analysis of these works have been performed by adopting common approaches and plane strain or axisymmetric. This dissertation presents a computational model based on displacement formulation of finite element method for simulation of mechanical problems of static equilibrium condition of geotechnical works in three dimensions. It highlights the problems of load capacity of shallow foundations and the simulation of embankment construction. The soil is considered as material non-linear elastic-plastic models and non-associated Mohr- Coulomb and modified Lade-Kim are adopted to represent their relationship stress-strain-resistance. The nonlinear solution strategies, both overall and in the Gauss point level, are presented and discussed. Examples of load capacity of shallow foundations are compared with the results of the theory of limit equilibrium and limit analysis showing good results. The effect of tension in the intermediate stress path is presented and discussed in the simulation examples of the construction of embankments.

[pt] A otimização topológica tem se desenvolvido bastante e possui potencial para revolucionar diversas áreas da engenharia. Este método pode ser implementado a partir de diferentes abordagens, tendo como base o Método dos Elementos Finitos. Ao se utilizar uma abordagem baseada no elemento, potencialmente, cada elemento finito pode se tornar um vazio ou um sólido, e a cada elemento do domínio é atribuído uma variável de projeto, constante, denominada densidade. Do ponto de vista Euleriano, a topologia obtida é um subconjunto dos elementos iniciais. No entanto, tal abordagem está sujeita a instabilidades numéricas, tais como conexões de um nó e rápidas oscilações de materiais do tipo sólido-vazio (conhecidas como instabilidade de tabuleiro). Projetos indesejáveis podem ser obtidos quando elementos de baixa ordem são utilizados e métodos de regularização e/ou restrição não são aplicados. Malhas poliédricas não estruturadas naturalmente resolvem esses problemas e oferecem maior flexibilidade na discretização de domínios não Cartesianos. Neste trabalho investigamos a otimização topológica em malhas poliédricas por meio de um acoplamento entre malhas. Primeiramente, as malhas poliédricas são geradas com base no conceito de diagramas centroidais de Voronoi e posteriormente otimizadas para uso em análises de elementos finitos. Demonstramos que o número de condicionamento do sistema de equações associado pode ser melhorado ao se minimizar uma função de energia relacionada com a geometria dos elementos. Dada a qualidade da malha e o tamanho do problema, diferentes tipos de resolvedores de sistemas de equações lineares apresentam diferentes desempenhos e, portanto, ambos os resolvedores diretos e iterativos são abordados. Em seguida, os poliedros são decompostos em tetraedros por um algoritmo específico de acoplamento entre as malhas. A discretização em poliedros é responsável pelas variáveis de projeto enquanto a malha tetraédrica, obtida pela subdiscretização da poliédrica, é utilizada nas análises via método dos elementos finitos. A estrutura modular, que separa as rotinas e as variáveis usadas nas análises de deslocamentos das usadas no processo de otimização, tem se mostrado promissora tanto na melhoria da eficiência computacional como na qualidade das soluções que foram obtidas neste trabalho. Os campos de deslocamentos e as variáveis de projeto são relacionados por meio de um mapeamento. A arquitetura computacional proposta oferece uma abordagem genérica para a solução de problemas tridimensionais de otimização topológica usando poliedros, com potencial para ser explorada em outras aplicações que vão além do escopo deste trabalho. Finalmente, são apresentados diversos exemplos que demonstram os recursos e o potencial da abordagem proposta. / [en] Topology optimization has had an impact in various fields and has the potential to revolutionize several areas of engineering. This method can be implemented based on the finite element method, and there are several approaches of choice. When using an element-based approach, every finite element is a potential void or actual material, whereas every element in the domain is assigned to a constant design variable, namely, density. In an Eulerian setting, the obtained topology consists of a subset of initial elements. This approach, however, is subject to numerical instabilities such as one-node connections and rapid oscillations of solid and void material (the so-called checkerboard pattern). Undesirable designs might be obtained when standard low-order elements are used and no further regularization and/or restrictions methods are employed. Unstructured polyhedral meshes naturally address these issues and offer fl exibility in discretizing non-Cartesians domains. In this work we investigate topology optimization on polyhedra meshes through a mesh staggering approach. First, polyhedra meshes are generated based on the concept of centroidal Voronoi diagrams and further optimized for finite element computations. We show that the condition number of the associated system of equations can be improved by minimizing an energy function related to the element s geometry. Given the mesh quality and problem size, different types of solvers provide different performances and thus both direct and iterative solvers are addressed. Second, polyhedrons are decomposed into tetrahedrons by a tailored embedding algorithm. The polyhedra discretization carries the design variable and a tetrahedra subdiscretization is nested within the polyhedra for finite element analysis. The modular framework decouples analysis and optimization routines and variables, which is promising for software enhancement and for achieving high fidelity solutions. Fields such as displacement and design variables are linked through a mapping. The proposed mapping-based framework provides a general approach to solve three-dimensional topology optimization problems using polyhedrons, which has the potential to be explored in applications beyond the scope of the present work. Finally, the capabilities of the framework are evaluated through several examples, which demonstrate the features and potential of the proposed approach.

[pt] Colunas protendidas de aço representam uma excelente solução estrutural em escoramentos de grandes estruturas e em colunas de estruturas espaciais de apoio a lonas tensionadas de coberturas de grandes vãos. Após um estudo extensivo do comportamento teórico através do uso do programa ANSYS onde avaliou-se a geometria estrutural mais eficiente, níveis de protensão e características dos cabos de aço, foram então definidos os diversos ensaios experimentais a serem executados em colunas com doze metros de comprimento e com tubos de 89,3 mm de diâmetro. A característica inédita deste estudo é a execução de ensaios tri-dimensionais em escala real deste tipo de coluna. Foram executadas comparações de resultados teóricos com os obtidos experimentalmente e foram feitas recomendações de análise e projeto destas estruturas. / [en] Pre-stressed steel columns represent an efficient structural solution for a great variety of temporary/permanent supports systems including large span spatial structures using pre-tensioned fabrics. The first step of the present investigation comprised a painstaking investigation of the structural behaviour of these members with the aid of finite element simulations performed with the ANSYS program. Its results indicated trends for the determination of the most efficient structural geometries, steel ties pre-stressing levels and characteristics. With these results in hand, the investigation proceeded with full-scale experimental tests executed in twelve meters pre-stressed stayed steel columns with an approximately diameter of ninety millimetres. The main contribution of the present investigation was the conception, development and execution of new tri-dimensional full-scale tests for this load bearing systems. The test results enable theoretical and numerical results to be validated against experimental evidence later to be introduced in structural design codes.

[pt] A Mecânica da Fratura é uma área da mecânica clássica que estuda os processos que podem resultar no surgimento e propagação de fraturas e trincas nos materiais. Seus conceitos podem ser empregados em diversas áreas, como, por exemplo, no desenvolvimento de novos materiais, na área industrial (auxiliando na definição dos parâmetros de criticidade de defeitos) e em projetos estruturais, onde a presença de descontinuidades pode resultar na diminuição da resistência do material, levando-o ao colapso estrutural. As fraturas podem surgir como defeitos básicos nos materiais constituintes dos elementos, podem ser induzidas nos processos de construção ou, ainda, podem ser desenvolvidas durante a vida útil da estrutura. O estudo do comportamento de uma fratura é fundamental para a verificação coerente de tensões e deformações nos projetos estruturais. Alguns autores apresentaram diferentes metodologias para o cálculo de parâmetros importantes associados à propagação de fraturas. Tais parâmetros podem variar de acordo com o comportamento do material, características geométricas, carregamentos, condições de contorno e configuração das trincas. Essas análises também podem ser validadas através de metodologias numéricas. O presente projeto tem por objetivo avaliar o Fator de Intensidade de Tensões a partir de análises numéricas de três casos de fratura com base nos conceitos da Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). Para tal, aplicaram-se duas técnicas de modelagem em Elementos Finitos: elementos quarter-point 2D e 3D e o Método dos Elementos Finitos Estendidos (XFEM) 3D. Por fim, os resultados obtidos são comparados com os resultados publicados na literatura. Apesar das vantagens associadas ao uso do XFEM para modelagem de fraturas, o cálculo pela integral de domínio para esta técnica apresenta oscilações nos valores fornecidos para as diferentes solicitações de contornos. A técnica de modelagem com Elementos Quarter-Points 2D e 3D apresenta resultados mais estáveis e próximos das soluções analíticas. / [en] Fracture Mechanics is an area of classical mechanics that studies processes that can result in the creation and propagation of fractures and cracks in materials. Its concepts can be utilized in many areas, such as, for example, the development of new materials, in the industrial area (to assist in the definition of defect criticality parameters) and in structural projects, where the presence of discontinuities can result in decreased material resistance, leading to its structural collapse. The fractures can emerge as basic defects in materials that constitute the structural elements, can be inducted in construction processes or could even be developed during the lifespan of the structure. Studying the behavior of a fracture is fundamental to verifying coherently stress and deformations on structural projects. Some authors presented different methodologies to calculate important parameters associated to the propagation of cracks. These parameters could vary according to the material behavior, geometrical characteristics, loads, boundary conditions and cracking patterns. Those analyses can also be validated through numerical methodologies. This present project aims at evaluating the Stress Intensity Factor from numerical analyses of three cracks cases based on the concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). Two techniques of Finite Element modeling were considered: quarter-point elements 2D and 3D and Extended Finite Element Method (XFEM) 3D. In the end, the results obtained are compared with results already published in the available literature. Despite the advantages associated with the use of XFEM for fracture modeling, the calculation of the stress intensity factor by the domain integral for this technique presents oscillations in the values provided for the different contour requests. The modeling technique with 2D and 3D quarter-points elements presents results that are more stable and closer to the analytical solutions.

[pt] Colunas de aço estaiadas e protendidas são conhecidas como excelente solução em escoramento de grandes estruturas, como colunas de coberturas de lonas tensionadas, etc. Este trabalho apresenta uma série de ensaios experimentais tridimensionais em escala real desenvolvidos para determinação do comportamento estrutural de colunas de aço estaiadas e protendidas. Foram estudadas as variações no nível de protensão e na rigidez dos estais, além de descrever como os ensaios experimentais das três colunas de aço estaiadas são realizados: compreendendo os materiais utilizados; um novo sistema de medição de força nos estais; os passos e dificuldades na montagem das três colunas e o sistema de protensão aplicado. Existem alguns parâmetros que influenciam diretamente na resistência dessas colunas estaiadas, como por exemplo, a altura da coluna, o diâmetro externo, entre outros. Devido ao comportamento complexo deste tipo de colunas e ao grande esforço computacional para simulação do comportamento estrutural, através de uma análise paramétrica, optou-se por utilizar um projeto de experimentos junto com redes neurais a fim de extrapolar e obter novos resultados para carga crítica do sistema estrutural sem a necessidade de análise por programas de elementos finitos. De forma a complementar a tese, realizou-se um estudo do comportamento do sistema estrutural sujeito a ações dinâmicas através do programa de elementos finitos ANSYS com o objetivo de determinar as frequências naturais associadas aos seus modos de vibração. Também foi estudada a aplicação de um carregamento súbito para determinação do fator de amplificação dinâmico da coluna de aço estaiada e protendida. / [en] Prestressed steel columns are known as an efficient structural solution for great variety of temporary or permanent supporting systems for large span spatial frames and tensile surface structures. This work presents of full-scale three-dimensional tests carriedout for the assessment of structural behaviour of prestressed stayed steel columns. It was studied the effect prestress force level, stiffness of column braces and stays. Test setup and a new force measuring system for the column stays is fully described. Prestressed stayed steel columns have their strength dependant of parameters like: length, hollow section diameter, brace length and stiffness and axial stiffness of stays. Due to the complex behaviour of such columns that demands great computational effort for numerical simulations required for a parametric analysis it was used an experiment design tool coupled with neural network techniques employed to generate new data for the prestressed column buckling load. A study of the dynamic behaviour of prestressed columns using the finite element package ANSYS was carried-out in order to determine the column natural frequencies and their associated vibration modes. It was also studied the application of sudden loads to determine the dynamic amplification factor of this type of prestressed stayed steel column.

[pt] Este trabalho apresenta o estágio atual do desenvolvimento de uma ferramenta numérica para simulação e análise do fluxo bifásico e do transporte multicomponente e de calor em meios porosos com interação química em duas dimensões. O programa desenvolvido foi baseado no UNSATCHEM_2D escrito em linguagem Fortran. A discretização das equações diferenciais parciais é feita em elementos finitos no espaço e em diferenças finitas no tempo. Uma interface grá- fica foi criada em linguagem Lua para a entrada dos dados e visualização dos resultados. Esta interface foi baseada no programa Mtool do TecGraf. O objetivo do trabalho foi implementar uma ferramenta que acoplasse diferentes processos em meios porosos: fluxo bifásico, transporte de solutos, processos químicos e temperatura. A ferramenta desenvolvida deverá ser útil em análises de problemas ambientais. Em particular, o enfoque deste trabalho é no acoplamento de processos químicos. Para isto, uma rotina de especiação química foi acoplada à cinética química com relevância na oxidação mineral. Para resolver o problema da especiação química, o programa Phreeqc foi utilizado. O trabalho apresenta detalhes dos processos de análise, de suas equações relevantes e da implementação numérica. No estágio atual de desenvolvimento, o programa é capaz de avaliar o transporte de metais e, em particular, a simulação da drenagem ácida em barragens de rejeito e pilhas de estéril sob condições complexas. Exemplos de validação e ilustrativos são mostrados e discutidos. São sugeridas algumas possibilidades de futuros acoplamentos à ferramenta numérica desenvolvida. / [en] This work presents the present stage of development of a numerical platform for simulation and analysis of two-phase flow and of, non isotermic, multicomponent transport in porous media with chemical interaction in two dimensions. The developed computer code is based on the UNSATCHEM_2D code written in Fortran language. The discretization of the partial differential equations is done by finite elements at the space and in finite difference at the time. A graphical interface was created in language Lua for the input of the data and result visualization. This interface was based on the program TecGraf’s Mtool. The purpose of the work was to construct a numerical tool that couples different processes in porous media: flow (two-phase), transport of solutes, chemical processes and temperature. The developed tool should be useful in the analysis of environmental problems. In particular, the work focused on the coupling of chemical processes. For this, a chemical speciation routine was coupled to chemical kinetics with relevance to mineral oxidation. In order to solve the chemical speciation problem, the program Phreeqc was used. The work presents details of the analyzed processes, their relevant equations and of the numerical implementation. At the present stage of development, the computer program is able to evaluate the transport of metals and, at particular, the simulation of the acid mine drainage at tailings discharge and waste rock piles under complex conditions. Validation and illustrative examples are shown and discussed. Possibilities of future additions to the developed tool are suggested.