Segundo a legislação brasileira, as estruturas de concreto armado devem ser verificadas em situação de incêndio, de modo a assegurar a capacidade portante para permitir a fuga dos usuários e o combate ao fogo com segurança e minimizar a propagação do incêndio para outros compartimentos. Para estruturas de concreto armado, especial atenção deve ser dada aos pilares. A redução da capacidade portante desses elementos é significativa em situação de incêndio e seu colapso pode resultar na instabilidade global da estrutura em certos casos. O cálculo do tempo de resistência ao fogo de pilares de concreto armado, em fase de projeto, é feito normalmente usando métodos simplificados dados pelas normas técnicas. Esses métodos possuem campos de validade limitados e podem apresentar resultados excessivamente seguros (antieconômicos) e em alguns casos contra a segurança. Neste trabalho foi desenvolvida uma ferramenta computacional para o cálculo do tempo de resistência ao fogo de pilares de concreto armado em situação de incêndio, dados os campos de temperaturas simétricos na seção transversal em função do tempo de exposição ao incêndio-padrão. O cálculo do pilar foi baseado no método da estimativa da curvatura dado pelo Eurocode 2 (EN 1992-1-2:2004). A seção transversal foi discretizada em elementos (concreto e aço), na qual as deformações térmicas e as propriedades termomecânicas de cada elemento foram calculadas de acordo com sua temperatura. O método da estimativa da curvatura permite ainda considerar os efeitos da não linearidade geométrica, que geralmente se tornam importantes devido à redução da rigidez do pilar sob temperaturas elevadas. Foram modelados pilares sob flexão normal composta considerando a seção transversal aquecida de forma simétrica. Os resultados do programa foram comparados a resultados de ensaios de laboratórios internacionais, com o objetivo de validar as hipóteses de cálculo adotadas. / According to Brazilian Codes, reinforced concrete structures must be verified under high temperatures, in order to assure the load bearing capacity to allow the safe evacuation of the users and the fire fighting and to reduce the fire spread to other compartments. For reinforced concrete structures, the columns must be analyzed carefully. The significant reduction in the load bearing capacity of reinforced concrete columns in fire can lead to collapse, which could result in global instability of the structure in some cases. The calculation of the fire resistance time of reinforced concrete columns, in the design phase, is usually done by means of simplified methods given by the standards. These methods are very limited and can result in excessively safe solutions (uneconomical) or unsafe solutions in some cases. A computational tool was developed for calculating the fire resistance time of reinforced concrete columns in fire, given symmetrical temperature fields in cross section as a function of exposure time to standard fire. The calculation method was developed using the method based on estimation of curvature given by Eurocode 2 (EN 1992-1-2:2004). The cross section was divided into elements (concrete and steel), in which the thermal strain and thermomechanical properties of each element were calculated according to its temperature. The mechanical behavior of the column under uniaxial bending considered the geometrically nonlinear effects of the structure, which generally become important due to reduced stiffness of the column at elevated temperatures. The results of the numerical analysis and experimental results of full-scale laboratory fire tests on concrete columns performed by international researchers were compared in order to validate the main hypothesis adopted.

Nas últimas décadas, considerável evidência tem sido direcionada no desenvolvimento de métodos computacionais que analisam os comportamentos não lineares das estruturas. O método da corda é considerado o tipo de método de seguimento de trajetórias que possui a técnica mais comum e versátil para analisar tais comportamentos não lineares. No entanto, testes realizados pelos autores concluem que tais métodos ainda apresentam algumas dificuldades quando as estruturas possuem formas complexas e comportamentos fortemente não lineares. Devido a isso, o objetivo do trabalho em questão é acrescentar duas modificações ao método da corda, a fim de desenvolver um modelo mais seguro e estável. A esses métodos, inclui-se (i) uma equação alternativa para o passo previsor, que tornará o método mais estável ao ultrapassar pontos críticos; e (ii) um parâmetro de controle, que através do conceito de soma dos comprimentos de corda, é chamado de método da corda acumulado. Ao final, por consequência destas alterações, um procedimento mais robusto para o método da corda é obtido. Sua validação é apresentada, pelos autores, através de exemplos utilizando estruturas treliçadas (bidimensionais e tridimensionais) em um programa de simulação numérica desenvolvida. / In the last decades, a considerable effort has been directed to develop of computational methods to analyze the nonlinear behavior of structures. The arc-length method is considered the type of path following method which have the most common and versatile techniques for analyzing such nonlinear behaviors. Nevertheless, tests performed by the authors conclude that such methods present some difficulties when the structures possess complex shapes and strongly nonlinear behaviors. Due to this, the purpose of the present work is to add two amendments to the arc-length method, in order to develop a model safer and more stable. In such methods, it is included (i) an alternative equation for the predictor step, that will make the method most stable to overcoming critical points, and (ii) a control parameter, through the concept of sum of the arc length up to now, referred to as accumulated arc-length method. By the end, as a result of these modifications, a more robust procedure for the method of the string is obtained. And its validation is presented by the authors through examples using truss structures in a two-dimensional and three-dimensional numerical simulation program developed.

This study presents a camber morphing concept as an alternative to existing plain flap or aileron type hinged control surfaces used in wings. Structural aspects of the concept are investigated with static nonlinear finite element analyses by using MSC Nastran. In order to assess the aerodynamic characteristics / CFD based 2D solutions are obtained using ANSYS Fluent. The camber morphing concept is applied to the full scale hingeless control surface and implemented in the adaptive camber wing. Hingeless control surfaces and adaptive camber wing are manufactured and changes made in manufacture stages are incorporated into finite element models. Finite element analyses of the wing are conducted with static and dynamic loading and comparison with experimental dynamic analyses are performed.

Segundo a legislação brasileira, as estruturas de concreto armado devem ser verificadas em situação de incêndio, de modo a assegurar a capacidade portante para permitir a fuga dos usuários e o combate ao fogo com segurança e minimizar a propagação do incêndio para outros compartimentos. Para estruturas de concreto armado, especial atenção deve ser dada aos pilares. A redução da capacidade portante desses elementos é significativa em situação de incêndio e seu colapso pode resultar na instabilidade global da estrutura em certos casos. O cálculo do tempo de resistência ao fogo de pilares de concreto armado, em fase de projeto, é feito normalmente usando métodos simplificados dados pelas normas técnicas. Esses métodos possuem campos de validade limitados e podem apresentar resultados excessivamente seguros (antieconômicos) e em alguns casos contra a segurança. Neste trabalho foi desenvolvida uma ferramenta computacional para o cálculo do tempo de resistência ao fogo de pilares de concreto armado em situação de incêndio, dados os campos de temperaturas simétricos na seção transversal em função do tempo de exposição ao incêndio-padrão. O cálculo do pilar foi baseado no método da estimativa da curvatura dado pelo Eurocode 2 (EN 1992-1-2:2004). A seção transversal foi discretizada em elementos (concreto e aço), na qual as deformações térmicas e as propriedades termomecânicas de cada elemento foram calculadas de acordo com sua temperatura. O método da estimativa da curvatura permite ainda considerar os efeitos da não linearidade geométrica, que geralmente se tornam importantes devido à redução da rigidez do pilar sob temperaturas elevadas. Foram modelados pilares sob flexão normal composta considerando a seção transversal aquecida de forma simétrica. Os resultados do programa foram comparados a resultados de ensaios de laboratórios internacionais, com o objetivo de validar as hipóteses de cálculo adotadas. / According to Brazilian Codes, reinforced concrete structures must be verified under high temperatures, in order to assure the load bearing capacity to allow the safe evacuation of the users and the fire fighting and to reduce the fire spread to other compartments. For reinforced concrete structures, the columns must be analyzed carefully. The significant reduction in the load bearing capacity of reinforced concrete columns in fire can lead to collapse, which could result in global instability of the structure in some cases. The calculation of the fire resistance time of reinforced concrete columns, in the design phase, is usually done by means of simplified methods given by the standards. These methods are very limited and can result in excessively safe solutions (uneconomical) or unsafe solutions in some cases. A computational tool was developed for calculating the fire resistance time of reinforced concrete columns in fire, given symmetrical temperature fields in cross section as a function of exposure time to standard fire. The calculation method was developed using the method based on estimation of curvature given by Eurocode 2 (EN 1992-1-2:2004). The cross section was divided into elements (concrete and steel), in which the thermal strain and thermomechanical properties of each element were calculated according to its temperature. The mechanical behavior of the column under uniaxial bending considered the geometrically nonlinear effects of the structure, which generally become important due to reduced stiffness of the column at elevated temperatures. The results of the numerical analysis and experimental results of full-scale laboratory fire tests on concrete columns performed by international researchers were compared in order to validate the main hypothesis adopted.

Nas últimas décadas, considerável evidência tem sido direcionada no desenvolvimento de métodos computacionais que analisam os comportamentos não lineares das estruturas. O método da corda é considerado o tipo de método de seguimento de trajetórias que possui a técnica mais comum e versátil para analisar tais comportamentos não lineares. No entanto, testes realizados pelos autores concluem que tais métodos ainda apresentam algumas dificuldades quando as estruturas possuem formas complexas e comportamentos fortemente não lineares. Devido a isso, o objetivo do trabalho em questão é acrescentar duas modificações ao método da corda, a fim de desenvolver um modelo mais seguro e estável. A esses métodos, inclui-se (i) uma equação alternativa para o passo previsor, que tornará o método mais estável ao ultrapassar pontos críticos; e (ii) um parâmetro de controle, que através do conceito de soma dos comprimentos de corda, é chamado de método da corda acumulado. Ao final, por consequência destas alterações, um procedimento mais robusto para o método da corda é obtido. Sua validação é apresentada, pelos autores, através de exemplos utilizando estruturas treliçadas (bidimensionais e tridimensionais) em um programa de simulação numérica desenvolvida. / In the last decades, a considerable effort has been directed to develop of computational methods to analyze the nonlinear behavior of structures. The arc-length method is considered the type of path following method which have the most common and versatile techniques for analyzing such nonlinear behaviors. Nevertheless, tests performed by the authors conclude that such methods present some difficulties when the structures possess complex shapes and strongly nonlinear behaviors. Due to this, the purpose of the present work is to add two amendments to the arc-length method, in order to develop a model safer and more stable. In such methods, it is included (i) an alternative equation for the predictor step, that will make the method most stable to overcoming critical points, and (ii) a control parameter, through the concept of sum of the arc length up to now, referred to as accumulated arc-length method. By the end, as a result of these modifications, a more robust procedure for the method of the string is obtained. And its validation is presented by the authors through examples using truss structures in a two-dimensional and three-dimensional numerical simulation program developed.

A new seismic protection strategy called the hybrid passive control device (HPCD) has been developed which combines typical passive energy dissipation devices. It consists of a high damping rubber (HDR) sandwich damper in series with a buckling restrained brace (BRB). The HPCD provides energy dissipation at small deformations without significantly decreasing the structural period. The significant energy dissipation capacity of a BRB is provided for significant seismic events in the second phase. The transition between these two phases consists of an increasing stiffness as the device transitions from rubber damper to BRB. The HPCD reduces deformations, forces and accelerations from seismic events. The hyperelastic or stiffening effect also prevents resonant build-up and aids in collapse prevention due to p-delta effects. The first phase of this work included characterization of high damping rubber compounds and analytical modeling of the HPCD concept. Experimental testing was completed to measure both the static and dynamic material properties of six different rubber compounds. The two most promising rubber compounds were selected for possible inclusion in the device. Analytical models of these selected materials were developed for nonlinear solid finite element analysis. The most promising configuration of the device was selected from several options. The selected configuration was analyzed using the commercial finite element program ABAQUS. These models were used to confirm the validity of the theoretical behavior of the device. Additionally these tests were used to determine which of the rubber compounds performed best. Experimental testing of a half-scale HPCD specimen was carried out in the Structures and Materials Research Laboratory at Virginia Tech. The prototype was tested under cyclic and static loads. The experimental tests confirmed the potential of the hybrid device while highlighting minor issues with the design of the prototype. The final component in the research was an analytical study using hybrid devices in a 9-story steel moment frame structure. The devices were found to provide improved response over a special steel moment frame and a moment frame combined with a buckling restrained brace frame. / Ph. D.

O emprego das estruturas de membrana é cada dia mais frequente em edificações de relevância civil e arquitetônica, em especial para a cobertura de grandes vãos. Sua aplicabilidade, contudo, vai além da construção civil, sendo igualmente importante nas indústrias das engenharias mecânica, naval, oceânica, aeroespacial e biomédica: aeronaves, satélites, paraquedas, airbags, velas de embarcações, moinhos de vento e até aplicações biomecânicas com tecidos humanos ou artificiais utilizam a tecnologia das estruturas de membrana. O comportamento mecânico de grande parte das membranas estruturais pode ser idealizado como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de mestrado é dar continuidade aos estudos referentes às teorias de casca geometricamente exatas desenvolvidas por [1], [2], [3] e [4], e sua generalização para o âmbito das membranas iniciada em [5]. Pretende-se contribuir, principalmente, para o desenvolvimento de equações constitutivas ortótropas consistentes para grandes deformações, apresentar uma metodologia para calibração dos parâmetros materiais destas equações constitutivas e para a análise de estabilidade com vistas ao estudo do fenômeno do enrugamento. / The use of membrane structures is becoming increasingly common in buildings of architectural and civil engineering importance, especially to cover large spans. Its applicability, however, goes beyond the construction industry being equally important in the industries of mechanical, naval, ocean, aerospace and biomedical engineering: aircraft, satellites, parachutes, airbags, sails of boats, windmills and even biomechanical applications with human and artificial tissues use the technology of membrane structures. The mechanical behavior of most structural membranes can be idealized as an isotropic thin shell reinforced by an orthotropic membrane. The objective of this work is to continue the studies on the geometrically exact shell theories developed by [1], [2] , [3] and [4] and its generalization to the scope of the membranes initially studied by [5]. It aims intended to contribute mainly to the development of consistent orthotropic constitutive equations for large deformations, to present a methodology for the calibration of the material parameters in those constitutive relations and for the stability analysis in order to study the phenomenon of wrinkling.

O emprego das estruturas de membrana é cada dia mais frequente em edificações de relevância civil e arquitetônica, em especial para a cobertura de grandes vãos. Sua aplicabilidade, contudo, vai além da construção civil, sendo igualmente importante nas indústrias das engenharias mecânica, naval, oceânica, aeroespacial e biomédica: aeronaves, satélites, paraquedas, airbags, velas de embarcações, moinhos de vento e até aplicações biomecânicas com tecidos humanos ou artificiais utilizam a tecnologia das estruturas de membrana. O comportamento mecânico de grande parte das membranas estruturais pode ser idealizado como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de mestrado é dar continuidade aos estudos referentes às teorias de casca geometricamente exatas desenvolvidas por [1], [2], [3] e [4], e sua generalização para o âmbito das membranas iniciada em [5]. Pretende-se contribuir, principalmente, para o desenvolvimento de equações constitutivas ortótropas consistentes para grandes deformações, apresentar uma metodologia para calibração dos parâmetros materiais destas equações constitutivas e para a análise de estabilidade com vistas ao estudo do fenômeno do enrugamento. / The use of membrane structures is becoming increasingly common in buildings of architectural and civil engineering importance, especially to cover large spans. Its applicability, however, goes beyond the construction industry being equally important in the industries of mechanical, naval, ocean, aerospace and biomedical engineering: aircraft, satellites, parachutes, airbags, sails of boats, windmills and even biomechanical applications with human and artificial tissues use the technology of membrane structures. The mechanical behavior of most structural membranes can be idealized as an isotropic thin shell reinforced by an orthotropic membrane. The objective of this work is to continue the studies on the geometrically exact shell theories developed by [1], [2] , [3] and [4] and its generalization to the scope of the membranes initially studied by [5]. It aims intended to contribute mainly to the development of consistent orthotropic constitutive equations for large deformations, to present a methodology for the calibration of the material parameters in those constitutive relations and for the stability analysis in order to study the phenomenon of wrinkling.

O presente trabalho tem por finalidade estudar e implementar um modelo numérico de análises cinemáticas de sólidos tridimensionais via método dos elementos finitos posicionais, com consideração de fibras longas ou curtas inseridas de maneira aleatória ou não no domínio da análise. O modelo numérico considera material isotrópico para a matriz e não linearidade geométrica. O domínio do sólido é discretizado por meio de elementos finitos tetraédricos de ordem qualquer, cujos parâmetros nodais são suas posições. A medida de deformação utilizada é a de Green, associada à lei constitutiva de Saint-Venant-Kirchhoff, referenciada pela configuração inicial do corpo, caracterizando o sistema de espaço como Lagrangiano total. O cálculo da posição de equilíbrio é baseado no princípio da mínima energia potencial total. Para a resolução do problema não linear geométrico, adota-se o método iterativo de Newton-Raphson. A inserção das fibras no domínio da análise é feita com a associação das mesmas com elementos finitos unidimensionais curvos de ordem qualquer, cujas posições nodais são dadas em função das posições dos nós dos elementos de sólido. Essa abordagem tem como vantagem o fato de não aumentar o número de graus de liberdade do sistema, ao mesmo tempo em que não limita as posições das fibras dentro do domínio por não ser necessária a coincidência das malhas. Exemplos são apresentados para validação dos desenvolvimentos e implementações realizadas. / This study aims to develop and implement a numerical model of kinematic enrichment, to analyze tridimensional solids based on positional finite element method, considering long and short fibers random distributed inside the domain. The numerical model considers isotropic material and geometric nonlinear behavior for both matrix and fibers. Tetrahedral finite elements with any order of approximation are used to discretize the solid domain, with positions as nodal parameters. Green strain and Saint-Venant-Kirchhoff constitutive law are used, referenced in initial configuration of the body, characterizing the developed formulation as total Lagrangian. The equilibrium is obtained with the application of Total Potential Energy Principle, adopting the Newton-Raphson method to solve the resulting nonlinear system of equations. The fibers are considered in the formulation using curved one-dimensional finite elements with any order of approximation, and the nodal positions of the fibers are related with the nodal positions of the solid elements. The coupling method adopted does not increase the number of degrees of freedom of the system, and does not limit the positions of the fiber nodes to be coincident with solid nodes. Examples are presented in order to validate the developed and implemented formulations.

O presente trabalho tem por finalidade estudar e implementar um modelo numérico de análises cinemáticas de sólidos tridimensionais via método dos elementos finitos posicionais, com consideração de fibras longas ou curtas inseridas de maneira aleatória ou não no domínio da análise. O modelo numérico considera material isotrópico para a matriz e não linearidade geométrica. O domínio do sólido é discretizado por meio de elementos finitos tetraédricos de ordem qualquer, cujos parâmetros nodais são suas posições. A medida de deformação utilizada é a de Green, associada à lei constitutiva de Saint-Venant-Kirchhoff, referenciada pela configuração inicial do corpo, caracterizando o sistema de espaço como Lagrangiano total. O cálculo da posição de equilíbrio é baseado no princípio da mínima energia potencial total. Para a resolução do problema não linear geométrico, adota-se o método iterativo de Newton-Raphson. A inserção das fibras no domínio da análise é feita com a associação das mesmas com elementos finitos unidimensionais curvos de ordem qualquer, cujas posições nodais são dadas em função das posições dos nós dos elementos de sólido. Essa abordagem tem como vantagem o fato de não aumentar o número de graus de liberdade do sistema, ao mesmo tempo em que não limita as posições das fibras dentro do domínio por não ser necessária a coincidência das malhas. Exemplos são apresentados para validação dos desenvolvimentos e implementações realizadas. / This study aims to develop and implement a numerical model of kinematic enrichment, to analyze tridimensional solids based on positional finite element method, considering long and short fibers random distributed inside the domain. The numerical model considers isotropic material and geometric nonlinear behavior for both matrix and fibers. Tetrahedral finite elements with any order of approximation are used to discretize the solid domain, with positions as nodal parameters. Green strain and Saint-Venant-Kirchhoff constitutive law are used, referenced in initial configuration of the body, characterizing the developed formulation as total Lagrangian. The equilibrium is obtained with the application of Total Potential Energy Principle, adopting the Newton-Raphson method to solve the resulting nonlinear system of equations. The fibers are considered in the formulation using curved one-dimensional finite elements with any order of approximation, and the nodal positions of the fibers are related with the nodal positions of the solid elements. The coupling method adopted does not increase the number of degrees of freedom of the system, and does not limit the positions of the fiber nodes to be coincident with solid nodes. Examples are presented in order to validate the developed and implemented formulations.