O modelo estrutural das lajes nervuradas é mais sofisticado que muitos tipos de lajes, exigindo, consequentemente, uma modelagem numérica mais trabalhosa. Entretanto, vantagens como a simplificação da execução da obra, redução do seu prazo de execução e do seu custo, justificam sua crescente utilização no país. Por isso, é necessário maior conhecimento do seu comportamento estrutural e aperfeiçoamento dos modelos teóricos empregados na sua simulação. O objetivo deste trabalho foi comparar dois métodos de cálculo amplamente empregados na modelagem destas estruturas, indicando se os mesmos as reproduzem satisfatoriamente, qual deles o faz da forma mais aproximada e quais são os aspectos relevantes para seu cálculo. Também foi analisado o comportamento do microconcreto armado sujeito a carregamento de longa duração (efeito da fluência). Para tanto, foi ensaiada uma laje nervurada em modelo reduzido na escala 1:7,5 construída em microconcreto armado. O estudo mediu deflexões verticais, rotações e determinou deformações específicas em seções características do modelo em duas etapas distintas: a primeira com carregamento de curta duração e a segunda com carregamento de longa duração. O carregamento uniformemente aplicado ao modelo representou o peso próprio da laje, das paredes divisórias e as cargas variáveis. Na análise numérica foram empregados dois modelos. O empregado no SAP90 utilizou elementos finitos de placa e simulou a laje com seção retangular de inércia equivalente à nervurada. Já o utilizado no GRELHA-TQS serviu-se da análise matricial e simulou a laje como uma grelha de vigas "T". A laje teve comportamento próximo do elástico linear no princípio do ensaio, quando os valores previstos pelo SAP90 estiveram ligeiramente mais próximos dos experimentais do que os do GRELHA-TQS. Depois, o modelo reduzido começou a apresentar um crescente comportamento não linear, distanciando-se cada vez mais das previsões teóricas. Esta diferença pode ser atribuída ao fato de que o modelo numérico do SAP90 levou em conta a rigidez à torção, enquanto que o empregado no GRELHA-TQS desprezou sua influência, comportando-se de forma menos rígida. / The structural model of waffle slabs can be more sophisticated than most others, demands a more difficult numeric analisys. Nonetheless, advantages such as the simplification of the work, reduction execution time and of cost, justify its increasing use. It is necessary however no gather more knowledge of its structural behavior and improve the theoretical models used. The objective of this work was to compare two calculation methods commonly used in the simulation of these structures, investigating the ability to reproduce their behavior satisfactorily, determine the more accurate method and characterize the more important aspects. Moreover, the behavior of the reinforced microconcrete was also analyzed with long-term load (creep effects). Hence, a reinforced microconcrete waffle slab was built in the reduced scale 1:7,5 and tested. The study measured vertical displacements, rotations and strains in characteristic sections of the model. These were measured in two different stages: the first with short-term load and the second with long-term load. The applied load represents the slab dead weight, the walls and the live loads. Two models were used in the numeric analysis. The SAP90 used shell elements and represented the waffle slab as a flat plate with rectangular section of equivalent inertia. The program GRELHA-TQS used the matricial analysis and simulated the waffle slab as a grillage. The slab had a close to the linear elastic behavior at the beginning of the test. At this moment, the values foreseen by SAP90 were closer of the experimental ones than those obtained by GRELHA-TQS. After that, the model presents an increasing non-linear behavior, desagreeing progressively from the theoretical forecasts. This difference may be due to the fact that the SAP90 program considered the torsion rigidity, while the model used in GRELHA-TQS despised its influence and presented a less rigid behavior.

O presente trabalho tem por finalidade determinar numericamente o campo de escoamento potencial bidimensional num perfil aerodinâmico para diferentes ângulos de ataque visando a posterior avaliação das características aerodinâmicas de aerofólios para sua aplicação no projeto de pás de turbinas eólicas. O modelo empregado baseia-se na teoria de escoamento passante (Through-flow theory), sendo utilizadas as equações que definem o escoamento numa superfície de corrente entre pás (blade to blade). Na solução numérica é aplicado um método implícito de diferenças finitas determinando-se os valores da função corrente de todo o domínio. Num procedimento iterativo a solução do problema converge para valores satisfatórios. A distribuição de velocidades no domínio é obtido por diferenciação numérica da função corrente. Posteriormente. a distribuição de pressão ao longo da corda do aerofólio é obtida e comparada com dados experimentais da referência consultada. Os resultados obtidos apresentam uma boa concordância com os dados experimentais até próximo do ângulo de ataque critico do perfil (Estol). Divergências da distribuição de pressão são detectadas na região da borda de ataque quando comparadas com os resultados experimentais, sendo isso atribuído à baixa densidade da malha. O modelo potencial não é adequado para ângulos que excedem o ângulo de ataque critico (Estol), já que o campo de escoamento próximo da superfície é afetado adversamente pela viscosidade.

O objetivo deste trabalho é propor a tortuosidade como novo parâmetro da rede trabecular, e correlacioná-lo com fração volumétrica trabecular, conectividade, estimada por meio da característica de Euler-Poincaré, e o módulo de Young para elasticidade. Além disso, propõe-se um método de associação destes quatro parâmetros em um único, o parâmetro de competência mecânica, que, associado a um espectro de cores, possibilita que se avalie e classifique sucinta e diretamente amostras trabeculares de acordo com sua fragilidade. Os resultados mostraram que, em geral, quanto maior a fração de volume, maior a conectividade, melhor alinhada a rede trabecular e maior sua resistência `a carga. A similaridade dos resultados mediante diferentes modos de obtenção de dados (teste mecânico e simulação numérica) e mediante a utilização de imagens μCT e MRI indicam a consistência do método, especialmente frente a diferentes resoluções. A utilização de imagens in vivo possibilita que se acompanhe o progresso da osteoporose durante o tratamento. / This work aims to propose the tortuosity as a new trabecular parameter, and to correlate it with trabecular volume fraction, connectivity, through the Euler-Poincar´e characteristic, and the Young modulus of elasticity. Beyond that, it is proposed a method to merge these four parameters in an unique, the mechanical competence parameter, which, associated with a color spectrum, allows to evaluate and to grade the trabecular samples according to their fragility in a simple and direct way. The results showed, in general, the higher the volume fraction, higher the connectivity, better aligned is the trabecular structure, and higher the load resistance. The results similarity when compared different methods of data achievement (mechanical tests and numeric simulation) and the use of μCT and MRI images indicates the method consistence, especially when applied to different resolutions. The use of in vivo images allows the analysis of the osteoporosis progress during the treatment.

Soluções exatas das equações de campo de Einstein sempre foram de muita importância para o desenvolvimento da teoria da relatividade geral, tanto do ponto de vista teórico quanto do observacional. Neste trabalho, estudamos o espaço-tempo de um disco fino através da obtenção de soluções exatas das equações de Einstein para a região exterior de um corpo maciço com simetria cilíndrica. Utilizando a métrica estática de Weyl para descrever este espaço-tempo, buscamos soluções na forma de potência para as funções da expansão de segunda ordem de tal métrica. Nossas soluções foram aplicadas ao problema da precessão do periélio de planetas solares bem como a deflexão da luz, proveniente de objetos distantes, ao passar próxima ao Sol. / The exact solutions of Einstein's eld equations have always been of great importance for the development of the general theory of relativity, from both theoretical and observational point of view. In this dissertation, we study the spacetime of a thin disk by obtaining exact solutions of the Einstein eld equations for the exterior region of a massive body with cylindrical symmetry. Using the static Weyl metric to describe this space-time, we look for power law solutions for the expansion of the second-order-metric functions. Our solutions have been applied to the precession of the perihelion of solar planets, as well as to the de ection of light from distant objects as it passes close to the Sun.

Neste trabalho desenvolve-se um modelo matemático tridimensional para células de combustível a etanol direto. As células de combustíveis são dispositivos eletroquímicos de alta performance e eficiência na conversão de energia. Grande parte dos trabalhos desenvolvidos para células de combustível a etanol direto fazem uso de modelos unidimensionais para obter a concentração das espécies químicas na superfície do catalisador e calcular a voltagem de operação da célula. Tais modelos são limitados e, por isso, faz-se necessário o desenvolvimento de modelos multidimensionais capazes de descrever o comportamento físico-químico em todas as camadas da célula de combustível. O modelo tridimensional desenvolvido neste trabalho é baseado nas equações de Navier-Stokes e permite descrever o campo de velocidade nas diferentes camadas da célula, a resistência ao transporte de massa, as perdas sobre potenciais e a voltagem de operação da célula. As equações do modelo tridimensional são discretizadas utilizando o método de diferenças finitas e a solução é obtida através do método de Gauss-Seidel iterativo A integração no tempo é feita utilizando o método de Runge-Kutta simplificado de três estágios. Os resultados obtidos apresentam boa concordância aos dados experimentais encontrados na literatura para diferentes catalisadores e diferentes temperaturas de operação para voltagem da célula versus a densidade de corrente, e apresentam comportamento esperado para o campo de velocidade no interior da célula e para as frações molares das principais espécies envolvidas na oxidação do etanol e redução do oxigênio. Além disso, uma solução analítica bidimensional foi obtida utilizando separação de variáveis e Transformada de Laplace. Os resultados obtidos com a solução analítica foram comparados aos resultados do modelo tridimensional, onde uma geometria semelhante `a utilizada para a obtenção da solução analítica foi proposta. Os resultados obtidos com o modelo tridimensional e com a solução analítica apresentaram boa concordância com os dados experimentais encontrados na literatura. / This work develops a three-dimensional mathematical model for direct ethanol fuel cells. Fuel cells are electrochemical devices for high performance and efficiency in energy conversion. Much of the work developed for direct ethanol fuel cell makes use of one-dimensional models to obtain the concentration of chemical species on the surface of the catalyst and to calculate the voltage of the cell’s operation. Such models are limited and, therefore, it is necessary the development of multidimensional models capable of describing the physico-chemical behavior in all layers of the fuel cell. The three-dimensional model developed in this work is based on the Navier-Stokes equations and allows to describe the velocity field in the different layers of the cell, the resistance to mass transport, the overpotential losses and the operating voltage of the cell. The threedimensional model equations are discretized using the finite difference method and the solution is obtained through the method of Gauss-Seidel iterative. The time integration is done using the simplified Runge-Kutta method of three stages The results present good agreement to the experimental data found in the literature for different catalysts and different operating temperatures for cell voltage versus current density, and exhibit expected behavior for the velocity field inside the cell and the mole fractions of the main species involved in the oxidation of ethanol and oxygen reduction. In addition, a two-dimensional analytical solution was obtained using separation of variables and the Laplace Transform. The results obtained with the analytical solution were compared to the results of the three-dimensional model, where a geometry similar to that used for obtaining the analytical solution was proposed. The results obtained with the three-dimensional model and analytical solution showed good agreement with the experimental data found in the literature.

Na prática da engenharia existem diversos problemas relacionados a escoamentos com superfície livre, como escoamentos evoluindo sobre obstáculos de fundo, com recirculação ou ondas, entre outros. No presente trabalho, derivado das Equações de Navier-Stokes e de Continuidade, foi desenvolvido um código utilizando um equacionamento semi-implícito em diferenças finitas, com a finalidade de simular escoamentos com superfície livre e com aproximação não-hidrostática de pressão. O tratamento numérico é realizado com o passo de tempo fracionado em dois subpassos: no primeiro são calculados as velocidades e o desnível com condição de pressão hidrostática e no segundo subpasso é calculada a pressão dinâmica e corrigidas as velocidades e o desnível. Este código foi verificado para casos com resultados analíticos e numéricos e validado para casos com resultados experimentais. Por fim, o código desenvolvido foi aplicado a um caso hipotético que representa esquematicamente o caso de um emissário submarino. A consideração da aproximação não hidrostática da pressão se mostrou fundamental para o ajuste dos resultados com os dados experimentais e analíticos. / In engineering practice there are a lot of problems related to free-surface flow, like flows with bottom obstacles, separation and waves, among others. In the present work, derived from Navier-Stokes and Continuity Equations, a code was developed with semi-implicit finite differences equations in order to simulate non-hydrostatic pressure approximation free-surface flows. The numerical treatment is performed with split time step into two substeps: at the first velocities and free-surface are calculated with hydrostatic pressure condition and at the second substep dynamic pressure is calculated and the velocities and free-surface are corrected. This code was verified with analytical and numerical cases and validated with experimental cases results. Furthermore, this code was applied to a hypothetical case which represents a marine outfall case. The non-hydrostatic pressure consideration are very important for the adjustment of the results with the experimental and analytical data.

Camadas de mistura estratificadas estão presentes na natureza, seja na atmosfera devido à interação entre as correntes de ar ou no encontro da água doce com o meio oceânico. A estratificação enfraquece movimentos verticais, influenciando a mistura de nutrientes e a distribuição de partículas biológicas e químicas. A combinação de forças externas e características topográficas, como a declividade, resulta em vários tipos de instabilidades na interface da camada cisalhante. O objetivo principal deste trabalho é analisar como o grau da estratificação e a declividade influenciam a amplificação das perturbações geradas em uma camada de mistura estavelmente estratificada. Configurações temporais e espaciais por meio da Simulação Numérica Direta (DNS ), para diferentes números de Richardson (RiH) e declividades (θ), são empregadadas para compreender o processo físico da mistura e as importantes estruturas que se formam. As simulações temporais são comparadas com a análise de estabilidade linear por meio das aproximações de Chebyshev. Estes testes permitem validar o código numérico e estudar o comportamento das taxas máximas de amplificação. Para as simulações espaciais, o efeito da estratificação reduz a taxa de crescimento das perturbações, enquanto o efeito da declividade acelera o desenvolvimento de instabilidades. Simulações espaciais bidimensionais são empregadas para examinar a camada baroclínica e a evolução das instabilidades primárias e secundárias de Kelvin-Helmholtz. Os resultados obtidos em simulações espaciais tridimensionais apresentam a formação das instabilidades translativas e o desenvolvimento de vórtices longitudinais que são mais intensos para o caso homogêneo. O nível de estratificação e declividade interfere na dinâmica do escoamento tridimensional, especificamente, na geração das instabilidades primária e secundária influenciando no fluxo turbulento vertical de massa. / Stratified mixing layer are found in nature, either in the atmosphere due to the interaction between air currents or in the merging of fresh and salt water. The stratification weakens vertical motions, influencing the mixture of nutrient and the distribution of biological and chemical particles. The combination of external forces and topographic features, such as the slope, results in various types of instabilities in the shear layer interface. The main objective of this work is to analyze how the degree of stratification and the slope influence the amplification of perturbations generated in a stably stratified mixing layer. Temporal and spatial configurations are used in Direct Numerical Simulation (DNS ) for different Richardson numbers (RiH) and slopes (θ) in order to better understand the physical mixing process and the important structures that are formed. The temporal simulations are compared with the linear stability analysis through Chebyshev approximations. These tests allow the validation of the numerical code and the study of the behavior of the maximum rates of amplification. For spatial simulations, the stratification effect reduces the perturbation growth rate while the slope effect accelerates the development of instabilities. Spatially simulations are employed to examine the baroclinic layer and the evolution of primary and secondary Kelvin-Helmholtz instabilities. The results obtained in three-dimensional spatial simulations show the formation of the translative instability and development of longitudinal vortices that are more intense for the homogeneous case. The level of stratification and slope influence the dynamics of three-dimensional flow, specifically, the generation of primary and secondary instabilities, influencing the turbulent buoyancy flux.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T16:50:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 79180.pdf: 5525163 bytes, checksum: 2549ff9b67dd58e0903ffc8cd83cd89a (MD5) Previous issue date: 1990 / O estudo da transferência de calor em difusores radiais com alimentação axial, mostrou em trabalho recente a presença de grandes divergências entre resultados numéricos e experimentais. Aparentemente tais divergências estão associadas à presença de oscilações auto induzidas pelo escoamento, que aumentam a troca de calor entre o fluído e as paredes do difusor. Neste contexto o presente trabalho tem como objetivo detectar a presença de instabilidades no escoamento bem como suas localizações. Visando tal objetivo, mediu-se a transferência de calor local entre o fluído e parede do difusor, usando a técnica de sublimação de naftaleno. A quantidade de naftaleno sublimada foi medida ponto a ponto para diversas vazões no difusor. Comparando estes resultados com uma solução numérica em regime permanente, foi possível identificar as regiões instáveis. Observou-se para altos números de Reynolds, a presença de aumentos significativos na troca de calor no setor de saída do difusor. Tais aumentos deslocam-se na direção do centro do difusor com o aumento do número de Reynolds.

Orientadora : Profa. dra. Luzia Vidal de Souza / Orientador : Prof. Dr. Luiz Fernando Nunes / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 29/08/2014 / Inclui referências / Área de concentração: Programação Matemática / Resumo: O estudo dos problemas de localização de instalações se relaciona diretamente com problemas organizacionais da sociedade, como por exemplo, a localização de escolas, postos de saúde, etc. Na sua forma geral, os problemas de P-Medianas e Máxima Cobertura são NP-hard e nas suas resoluções são utilizados métodos heurísticos. Os algoritmos de Evolução Diferencial (ED) são poderosos algoritmos de otimização evolucionária, propostos inicialmente, para problemas em espaços contínuos. Recentemente, têm sido propostas adaptações ao seu mecanismo de mutação diferencial para aplicação em problemas combinatórios. Este trabalho apresenta um novo algoritmo híbrido, utilizando algoritmos Evolução Diferencial e Busca Tabu, para a abordagem de problemas de P-Medianas e Máxima Cobertura. Introduz-se no operador de mutação diferencial de um algoritmo de Evolução Diferencial, o algoritmo Busca Tabu, com adaptações, a fim de que o mesmo possa ser aplicado para resolver problemas em um espaço de busca discreto. Testes computacionais foram realizados, com instâncias disponíveis na literatura, e comparados com outras meta-heurísticas e soluções ótimas obtidas com um modelo matemático. Os resultados encontrados sugerem que a técnica proposta é promissora e apropriada para a resolução dos problemas abordados, pois obteve-se na maioria dos testes soluções iguais ou melhores que alguns métodos presentes na literatura em tempos computacionais aceitáveis. Palavras Chave: Otimização Combinatória, Algoritmos Heurísticos, Localização de Instalações. / The study of facility location problems is directly related to organizational problems of society, such as the location of schools, health centers , etc. . In its general form, the problem of P-Medians and Maximum Coverage is NP-hard, and heuristic methods are used to solve them. The Differential Evolution (DE) algorithms are powerful evolutionary optimization algorithms, originally proposed for problems in continuous spaces. Recently, it has been proposed adjustments that can be made to the mechanism of differential mutation for its application to combinational problems. This paper presents a new hybrid algorithm, using Differential Evolution Algorithms and Tabu Search, to address problems of P-Medians and Maximum Coverage. Be introduced to the operator of a differential mutation algorithm Differential Evolution, the Tabu Search algorithm with adaptations, so that it can be applied to solve problems in a discrete search space. Computational tests were performed, with instances available in the literature, and compared with other meta-heuristics and optimal solutions obtained from a mathematical model. The results suggest that the proposed technique is promising and appropriate for the resolution of the problems addressed, as was obtained in most testing solutions equal or better than some methods from the literature in acceptable computational time. Keywords : Combinatorial Optimization, Heuristic Algorithms, Location of Facilities.

Orientador : Prof. Dr.. Klaus de Geus / Co-orientador : Prof. Dr.. Walmor Cardoso Godoi / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 27/08/2014 / Inclui referências / Área de concentração: Mecânica Computacional / Resumo: Ensaios nao destrutivos sao importantes para a analise de estruturas de concreto. Sua realizacao, entretanto, necessita de amostras que devem ser retiradas das estruturas a serem analisadas, tais como barragens e usinas. A tomografia industrial, mediante a obtencao de mapas de densidade, aliada a modelos e ferramentas de simulacao, tem um papel relevante no contexto de ensaios nao destrutivos. Como as ferramentas de simulacao atuais fazem uso de modelos geometricos poligonais, torna-se necessario extrair superficies mediante a geracao de malhas poligonais, a partir do volume de dados, usando tecnicas tais como o algoritmo Marching Cubes. Este trabalho trata da geracao de malhas poligonais de alta definicao a partir de testemunhos de concreto, os quais apresentam dimensoes que normalmente impactam o desempenho, o consumo de memoria e ate mesmo a factibilidade do processamento. Para a solucao destes desafios, foi contemplada a solução utilizando uma implementacao massivamente paralela do algoritmo Marching Cubes. Foi implementada uma versao paralela deste algoritmo utilizando a linguagem CUDA/C para programacao da GPU de forma a conseguir ganho de tempo de processamento na geracao de malhas de alta definicao para imagens tomográficas de corpos de prova de concreto. A avaliacao do ganho de velocidade de processamento foi realizada comparando-se a solucao paralelizada com um prototipo desenvolvido em MATLAB. Foram desenvolvidos modulos de software em codigo prototipo para auxiliar na analise da solucao. As analises realizadas mostram que o uso de paralelismo massivo mediante GPU tem grande potencial para esse tipo de aplicacao, nao obstante o aumento no consumo de memoria devido a necessidade de controle mais sofisticado na transferencia de dados no processamento. A reducao do tempo de processamento obtida como resultado neste estudo foi significativa, a saber, de doze horas na arquitetura serial para pouco mais de quarenta segundos na arquitetura paralela. Palavras-chave: GPU, CUDA, Marching Cubes, Tomografia Industrial, Geracao de Isossuperficies Poligonais, concreto / Abstract: Non-destructive testing is an important procedure for the analysis of concrete structures. It requires, however, structural samples to be extracted from buildings such as dams or bridges. In order to acquire data regarding the geometry and the topography of both surface and internal structures, industrial tomography can be used, through the acquisition of density maps. This data can be used with simulation software applications and models. However, the aforementioned procedures require polygonal meshes, hence, the necessity to extract surfaces from the volumetric data. In order to create such models, algorithms must be used, such as the Marching Cubes algorithm, with the purpose of generating a virtual model corresponding to the real object in a given density. The purpose of this document is to detail the creation of high density polygonal meshes from concrete samples that generate density maps with dimensions that pose a challenge to both processing time and memory consumption, posing a problem to the feasibility of the solution. To overcome these challenges, the CUDA/C language was used for programming a Graphics Processing Unit (GPU) to decrease the processing time required to extract polygonal surfaces from tomographic images. To evaluate the speed increment of the algorithm, the execution time of the parallelized version was compared with the initial serial MATLAB implementation. Additionally, auxiliary code was implemented aiming a robust memory management. The results confirm that massive parallel GPU programming can be used to reduce the processing time, even though memory consumption, due to the more sophisticated management techniques implemented for data transfer, was higher. As an overall result, the processing time decreased from approximately twelve hours on the serial implementation to approximately forty seconds on the massive parallel approach, with a corresponding increase in memory consumption. Keywords: GPU, CUDA, Marching Cubes, Industrial Tomography, Polygonal Isossurfaces generation