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[pt] Esta tese propõe um método meshfree adaptativo de advecção para problemas de fluxo bifásico de fluidos incompressíveis e imiscíveis em meios porosos heterogêneos tridimensionais. Este método se baseia principalmente na combinação do método Semi-Lagrangeano adaptativo com interpolação local meshfree usando splines poliharmônicas como funções de base radial. O método proposto é uma melhoria e uma extensão do método adaptativo meshfree AMMoC proposto por Iske e Kaser (2005) para modelagem 2D de reservatórios de petróleo. Inicialmente este trabalho propõe um modelo em duas dimensões, contribuindo com uma melhoria significativa no cálculo do Laplaciano, utilizando os métodos meshfree de Hermite e Kansa. Depois, o método é ampliado para três dimensões (3D) e para um meio poroso heterogêneo. O método proposto é testado com o problema de five spot e os resultados são comparados com os obtidos por sistemas bem conhecidos na indústria de petróleo.

[en] This thesis proposes an adaptive meshfree advection method for two-phase flow problems of incompressible and immiscible fluids through three-dimensional heterogeneous porous media. This method is based mainly on a combination of adaptive semi-Lagrangian method with local meshfree interpolation using polyharmonic splines as radial basis functions. The proposed method is an improvement and extension of the adaptive meshfree advection scheme AMMoC proposed by Iske and Kaser (2005) for 2D oil reservoir modeling. Initially this work proposes a model in two dimensions, contributing to a significant improvement in the calculation of the Laplacian, using the meshfree methods of Hermite and Kansa. Then, the method is extended to three dimensions (3D) and a heterogeneous porous medium. The proposed method is tested with the five spot problem and the results are compared with those obtained by well-known systems in the oil industry.

Advisors/Committee Members: MARCELO DE ANDRADE DREUX, MARCELO DE ANDRADE DREUX.

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[pt] A presente dissertação versa sobre a necessidade de estabelecer estratégias de prevenção e gestão dos impactos ambientais provenientes do derramamento de derivados de petróleo nas enseadas do município de Arraial do Cabo. Ressalta-se que a cidade está incrustada em uma Reserva Extrativista Marinha e com grande parte de sua população, direta ou indiretamente, ligada economicamente às atividades marinhas. Para desenvolver este trabalho, foi utilizado o Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental, o SisBaHiA. Utilizando-se do referido sistema, foi confeccionado um modelo digital de terreno, em seguida gerou-se um modelo de circulação hidrodinâmica na região de estudo e, por fim, um de transporte de contaminantes que, acoplado ao anterior, identifica as potenciais zonas de contaminação e à deriva da mancha de óleo no caso de um derrame. Em sequência, foram avaliados os danos decorrentes do vazamento e propostas para ações de mitigação.

[en] In recent years, several initiatives aimed at the conservation and preservation of a balanced environment increased significantly with laws applying penal and administrative sanctions derived from conduct prejudicial to the environment. Arraial do Cabo, RJ, Brazil, is the city chosen to be the study area of an economy focused on port activities, fishing and tourism, with paradisiacal beaches with incommensurable beauty scenic. According to Brazilian law, port facilities must have plans for oil spill incidents in waters under national jurisdiction, which is a document containing specific information and describes response procedures regarding an incident. The Institute of Marine Studies Admiral Paulo Moreira (IEAPM), also located in Arraial do Cabo, has become a military organization potentially polluting with their ships and vessels applied in research. In order to establish strategies for prevention and coordination of response actions in the management of environmental impacts in IEAPM, as well as, the upgrade of the institute Individual Emergency Plan (PEI), this study seeks, through computer modelling tools, verify the possibilities of drift from oil spill in the harbour of Arraial do Cabo. The work has as main objective to evaluate the results of a plume of contaminants formed by oil spill scenarios through an environmental modelling system to assist Executive Commander in response actions in Arraial do Cabo harbour.

Advisors/Committee Members: ANTONIO ROBERTO MARTINS BARBOZA DE OLIVEIRA.

▼ Este trabalho visa o uso da função de Green de valor inicial no ajuste geostrófico e do método Semi-Lagrangeano na integração de um modelo acoplado oceano-atmosfera descrito pelas equações de águas rasas. O ajuste geostrófico é considerado atravées de perturbações na pressão e do vento. No caso de sistemas sem rotação, é discutida a relação da equação hidrostática com ondas longas não-dispersivas. Com rotação, a conservação da vorticidade potencial permite escolher a elevação correspondente a um estado de equilíbrio geostrófico. O sistema de equações de águas rasas é desacoplado em equações de Klein-Gordon com valores iniciais e termos não-homogêneos acoplados. A resposta dinâmica formada pela resposta transiente e a resposta forçada é obtida para uma perturbação inicial da elevação. A ação do vento como forçante nas equações de momento 2D, através do transporte de Eckman, conduz a uma equação de águas rasas forçada. Uma decomposição da resposta forçada é realizada com uma resposta permanente, que satisfaz a equação de Helmholtz , e com o uso da base dinâmica gerada pela resposta impulso. Um modelo hidrodinâmico 3D introduzido por Casulli e governado por equações não-lineares de águas rasas é integrado na vertical para a obtenção de um modelo 2D. Com isto, as condições de contorno devido a tensão do vento e a fricção devido a topografia do fundo, transformam-se em forçantes do modelo. O modelo foi integrado com um método semi-implícito em diferenças finitas, utilizando-se o método Semi-Lagrangeano para a parte advectiva. Simulações simbólicas foram realizadas para o ajuste geostrófico devido a perturbações de duração infinita e finita para a elevação e para o efeito da tensão do vento. Foram realizadas simulações numéricas para variadas geometrias, em particular a Baia de Guanabara e a Lagoa do Patos. Advisors/Committee Members: Ruiz Claeyssen, Julio Cesar.

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Atualmente diversos produtos são fabricados por meio de injeção de polímeros, num processo denominado moldagem por injeção: material fundido é injetado em um molde no qual resfria e endurece. Contudo, ao contrário de outros processos de produção, a qualidade da peça criada por meio de moldagem por injeção não depende apenas do material e da sua forma geométrica, mas também da maneira na qual o material é processado durante a moldagem. Por esse motivo, o uso de modelagem matemática e simulações numéricas tem aumentado consideravelmente como maneira de auxiliar o processo de produção e tem-se tornado uma ferramenta indispensável. Desta forma, este projeto tem o propósito de simular o escoamento de fluidos durante a fase de preenchimento do processo de moldagem por injeção, utilizando o modelo 21/2-dimensional, composto por uma equação bidimensional para a pressão, conhecida como equação de Hele-Shaw, e uma equação tridimensional para a temperatura do fluido. Um modelo bidimensional para a temperatura é também desenvolvido e apresentado. Este projeto de doutorado propõe duas estratégias numéricas para a solução da equação de Hele-Shaw. A primeira delas é baseada em uma formulação euleriana do método Smoothed Particle Hydrodynamics, onde os pontos utilizados na discretização não se movem, e não há utilização de malhas. A segunda estratégia é baseada na criação de malhas dinamicamente construídas na região do molde que já encontra-se parcialmente cheio de fluido e subseqüente aplicação do método Control Volume Finite Element Method. Uma estratégia dinâmica do método semi lagrangeano é apresentada e aplicada à solução da equação bidimensional da temperatura. O projeto também pretende investigar três novas abordagens para o tratamento da superfície livre. Duas delas são baseadas na técnica Volume of Fluid e uma delas é uma adaptação meshless do método Front-Tracking. O comportamento não newtoniano do fluido é caracterizado por uma família de modelos de viscosidade. Testes numéricos indicando a confiabilidade das metodologias propostas são conduzidos

Currently, several plastic products are manufactured by polymer injection, in a process named injection molding: molten material is injected into a thin mold where it cools and solidifies. However, unlike other manufacturing processes, the quality of injection-molded parts depends not only on the material and shape of the part, but also on how the material is processed throughout the molding. For this reason, the use of mathematical modelling and numerical simulations has been increasing in order to assist in the manufacturing process, and it has become an essential tool. Therefore, this Sc.D. project has the purpose of simulating the fluid flow during the filling stage of the injection molding process, using the 21/2-dimensional model, compounded by a two-dimensional equation for the pressure field (also known as Hele-Shaw equation) and a three-dimensional equation for the temperature of the fluid. A simpler two-dimensional model for the temperature field is also derived and…

Advisors/Committee Members: Mangiavacchi, Norberto, Nonato, Luis Gustavo.

▼ [pt] Esta tese apresenta as formulações dos métodos de elementos de contorno convencional e híbrido simplificado para problemas axissimétricos de elasticidade, empregando-se as soluções fundamentais do espaço completo e do semi-espaço. Para problemas de elasticidade axissimétricos no semi-espaço pelos métodos de elementos de contorno, o uso das soluções fundamentais para espaço completo exige a discretização e o truncamento da superfície livre. No entanto, essa discretização é dispensada se as soluções fundamentais empregadas satisfizerem a condição de forças de superfície nulas. Este trabalho apresenta a implementação dessas soluções fundamentais axissimétricas para o espaço completo e o semi-espaço elástico, em termos de integrais do tipo Lipschitz-Hankel. São apresentadas todas as expressões necessárias para o cálculo de resultados em pontos internos e a correta integração numérica das integrais de contorno. Partindo da formulação do espaço completo, mostra-se que é necessária pouca modificação para a implementação da formulação proposta. Esse trabalho também desenvolve a formulação axissimétrica para o método híbrido simplificado dos elementos de contorno, tanto para o espaço completo como para o semi-espaço. Na sua versão original, o uso de propriedades espectrais para a total formulação do problema não era possível para certas configurações topológicas. No entanto, a aplicação de um princípio de contragradiência híbrida às equações do método levou à obtenção de uma nova relação matricial que tornou possível sua total formulação para qualquer topologia, independentemente de propriedades espectrais. A necessidade de se integrar apenas uma matriz e a facilidade de obtenção de resultados em pontos internos tornam o método híbrido simplificado dos elementos de contorno ainda mais vantajoso para problemas axissimétricos. Alguns exemplos numéricos validam as formulações apresentadas. Essa tese é composta por oito capítulos e dois apêndices, como descritos a seguir. O Capítulo 2 trata das soluções fundamentais axissimétricas para o espaço completo e o semi-espaço elástico. As equações governantes para um meio elástico axissimétrico são apresentadas em coordenadas cilíndricas. As soluções fundamentais correspondentes são deduzidas, em termos de integrais do tipo Lipschitz-Hankel, a partir da solução de Muki das equações de equilíbrio de Navier. O Capítulo 3 apresenta o método dos elementos de contorno para problemas axissimétricos no espaço completo e no semi-espaço. A partir das soluções fundamentais apresentadas no Capítulo 2, as equações integrais no contorno são deduzidas, bem como as equações matriciais governantes. Além disso, discute-se a obtenção de uma matriz de rigidez e o cálculo das inversas generalizadas presentes na formulação. As expressões para o cálculo de deslocamentos e tensões no domínio e ao longo do contorno são fornecidas de maneira explícita. O Capítulo 4 apresenta o método híbrido simplificado dos elementos de contorno para problemas axissimétricos no espaço completo e no semi-espaço. Uma nova… Advisors/Committee Members: NEY AUGUSTO DUMONT.

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[pt] Ao longo dos anos, a interação aço-concreto tem obtido um lugar de destaque do ponto de vista estrutural, ampliando a gama de soluções em concreto armado e aço, o que permite atender aos novos desafios arquitetônicos e às exigências que o mercado impõe. O objetivo do sistema misto é a combinação desses dois materiais, formando um único sistema estrutural em que a capacidade portante de cada elemento possa ser explorada ao máximo, tirando-se proveito da grande capacidade do concreto resistir a esforços de compressão, e de o aço, à tração. Essas características singulares de sistemas mistos aço-concreto conduzem a frequências naturais mais próximas da faixa de frequência de excitações associada às atividades humanas. Sendo assim, as considerações relacionadas ao projeto estrutural obrigam os engenheiros a fazer verificações quanto à resistência e à estabilidade de sistemas estruturais (estados limites últimos), mas os problemas relacionados ao estado limite de utilização desses sistemas devem ser analisados de forma mais cuidadosa. Embora o assunto de vibrações em lajes de edifícios induzidas por atividades humanas tem sido de continuado interesse a pesquisadores e a engenheiros ao longo dos últimos dois séculos (1828-2009), inexiste na literatura técnica, até onde o autor tem conhecimento, análise de correlações teórico-experimentais de vibrações de estruturas mistas aço-concreto sob ação de atividades humanas, na qual são consideradas a ortotropia, a interação parcial e as ligações semirrígidas. Com o objetivo de contribuir nessa direção, o presente trabalho investiga o efeito da interação aço-concreto sobre a resposta dinâmica de sistemas de pisos mistos.

[en] Over the years the steel-concrete interaction have been achieving excelent results, in terms of structural performance. This fact have enlarged the range of applications of concrete and steel structures enabling the development of efficient solutions that attend the demands claimed by the market and by increasinly daring architectures. The composite action main objective is to combine steel and concrete into single structural system where the optimum performance of the combined elements could be explored. The concrete is used to sustain compressive while the steel is better used when submitted to tension. These singular characteristics of the composite systems, on the other hand, lead to composite structural systems with natural frequencies close to the frequency associated to human induced loads. Usually the design of composite structures is focused on verifications related to ultimate limit states associated to strength and stability, but the problems related to serviceability limit states should also be carefully considered. Despite the fact that floor vibration induced by human activity has been extensively investigated in the past (1828-2009) there is still a lack of published information on theoretical-experimental correlations on the dynamic response of composite structures specially after considering effects releted to partial interaction,…

Advisors/Committee Members: SEBASTIAO ARTHUR LOPES DE ANDRADE.

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[pt] A caracterização das pressões de poros nas bacias sedimentares marinhas é fundamental dentro da etapa de planejamento dos projetos de perfuração na indústria do Petróleo. Uma vez que o desconhecimento dessas pressões coloca em risco a integridade das pessoas nas sondas de perfuração, o ambiente, além de causar grandes prejuízos para as companhias. As metodologias para a estimativa das poropressões na indústria do petróleo tiveram grande desenvolvimento a partir da década de1950. Porém, a grande maioria delas não levam em consideração caraterísticas geológicas importantes como a diagêneses das rochas, as condições de contorno para o fluxo de fluidos, e os mecanismos de dissipação das sobrepressões durante o tempo geológico. Por isso, o principal objetivo do trabalho é fortalecer os estudos convencionais de estimativa de pressão de poros incluindo uma metodologia não convencional com abordagem na modelagem de bacias. Essa metodologia permite analisar o fenômeno como um sistema dinâmico, bem como levar em consideração os mecanismos de geração e de dissipação das pressões durante a evolução geológica da Bacia. Apresenta-se a descrição dos principais mecanismos de geração de sobrepressão, a teoria que descreve o fenômeno das sobrepressões, as metodologias convencionais utilizadas na indústria do petróleo e as hipóteses da metodologia baseada na modelagem de bacias. Utilizou-se o software SEMIMT, do instituto de pesquisa da Noruega, o SINTEF, para realizar a estimativa das poropressões na Bacia de Guajira, uma região offshore do norte da Colômbia. A estimativa das pressões considerou os contornos da bacia, o modelo geológico da região, o histórico de soterramento da Bacia, bem como de modelos de compactação e os modelos de fluxo vertical e fluxo horizontal dos fluidos. O resultado da estimativa das pressões permitiu definir quatro zonas com diferente grau de sobrepressão na área em estudo, que foram comparados com uma metodologia convencional, bem com dados históricos de poços perfurados na região.

[en] Pore pressure prediction is a critical issue for well planning in the oil and gas industry. It is even more critical for offshore environments due to high risks involved in drilling operation. Blowout is the main risk regarding pore pressure since it could cause rig explosion, and oil spills to environment. Such problems can lead a successful company to a very weak position. Therefore, since the fifties, several methodologies for pore pressure prediction have been developed for the industry. Most of them just consider the mechanism of compaction as the main cause of overpressure, ignoring other factors such as rock diagenesis, boundary conditions for fluid flow, and pressure dissipation during the geologic history. That is why the main objective of this work is improving current pore pressure studies, including an alternative methodology (developed by the Norway Petroleum Research Institute - SINTEF), from a scale of basin modeling. That methodology allows analyzing the pressure phenomenon like a dynamic system,…

Advisors/Committee Members: SERGIO AUGUSTO BARRETO DA FONTOURA.

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[pt] Tarefas de exploração de informação são reconhecidas por possuir características tais como alta complexidade, falta de conhecimento do usuário sobre o domínio da tarefa e incertezas sobre as estratégias de solução. O estado-da-arte em exploração de dados inclui uma variedade de modelos e ferramentas baseadas em diferentes paradigmas de interação, como por exemplo, busca por palavras-chave, busca facetada e orientação-a-conjuntos. Não obstante os muitos avanços das últimas décadas, a falta de uma abordagem formal do processo de exploração, juntamente com a falta de uma adoção mais pragmática do princípio de separação-de-responsabilidades no design dessas ferramentas são a causa de muitas limitações. Dentre as limitações, essa tese aborda a falta de expressividade, caracterizada por restrições na gama de estratégias de solução possíveis, e dificuldades de análise e comparação entre as ferramentas propostas. A partir desta observação, o presente trabalho propõe um modelo formal de ações e processos de exploração, uma nova abordagem para o projeto de ferramentas de exploração e uma ferramenta que generaliza o estado-da-arte em exploração de informação. As avaliações do modelo, realizadas por meio de estudos de caso, análises e comparações o estado-da-arte, corroboram a utilidade da abordagem.

[en] Information exploration processes are usually recognized by their inherent complexity, lack of knowledge and uncertainty, concerning both the domain and the solution strategies. Even though there has been much work on the development of computational systems supporting exploration tasks, such as faceted search and set-oriented interfaces, the lack of a formal understanding of the exploration process and the absence of a proper separation of concerns approach in the design phase is the cause of many expressivity issues and serious limitations. This work proposes a novel design approach of exploration tools based on a formal framework for representing exploration actions and processes. Moreover, we present a new exploration system that generalizes the majority of the state-of-the art exploration tools. The evaluation of the proposed framework is guided by case studies and comparisons with state-of-the-art tools. The results show the relevance of our approach both for the design of new exploration tools with higher expressiveness, and formal assessments and comparisons between different tools.

Advisors/Committee Members: DANIEL SCHWABE.

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Em suma, esta tese propõe uma metodologia de acompanhamento de interfaces móveis que baseia-se no método dos conjuntos de nível aqui chamado de método das curvas de nível, uma denominação baseada nas aplicações em que as interfaces são representadas por curvas acoplado a uma implementação semi-Lagrangeana, para problemas em meios porosos. Embora esta técnica possa, em princípio, ser aplicada a qualquer problema físico que apresente uma interface móvel, nesta tese são focados escoamentos em meios porosos consolidados e saturados por um ou dois fluidos imiscíveis e incompressíveis. Adicionalmente, um método iterativo paralelizável para a resolução de sistemas de equações lineares definidos em redes, que podem ser reduzidos à forma das equações fundamentais de equilíbrio, é empregado na determinação dos campos de velocidade associados aos escoamentos em meios porosos. O cenário semi-Lagrangeano acoplado ao método das curvas de nível é comparado com a implementação utilizando o bem conhecido esquema up-wind. Um exaustivo estudo realizado revela a superioridade da metodologia proposta frente à concorrente utilizando o up-wind. Finalmente, o método das curvas de nível com implementação semi-Lagrangeana (método semi-Lagrangeano das curvas de nível), e o método iterativo para a determinação do campo de velocidades são aplicados no estudo de problemas transientes em meios porosos que apresentam instabilidades dos tipos Saffman-Taylor e Rayleigh-Taylor. Este estudo envolve uma análise de estabilidade linear, a introdução de diversas perturbações trigonométricas na interface e a sua evolução não-linear.

Briefy, this thesis proposes a method for capturing moving interfaces based on the level set method coupled to a Semi-Lagrangian implementation for problems in porous media. Although this method could, in principle, be applied to any physical problem with moving interfaces, we foccus, in this thesis, on flows inside a consolidated porous media saturated by one or two imiscible and incompressible fluids. Besides, a parallelizable iterative method for solving linear systems defined on a network that can be reduced to the fundamental equilibrium equations, is employed to determine the velocity field associated with the flow in a porous medium. The semi-Lagrangian scheme coupled with the level set method is compared with the well-known implementation with the up-wind scheme. An exhaustive study is performed and reveals the superiority of the proposed scheme in relation to the competing one using the up-wind method. Finally, the level set method with semi-Lagrangian implementation and the iterative method for determining the velocity field are applied to the study of transient problems in porous media which present Saffman-Taylor and Rayleigh-Taylor instabilities. This study involves the application of a linear stability analysis, the introduction of several trigonometric perturbations to the interface and its non-linear evolution.

Advisors/Committee Members: Bruno Alexandre Soares da Costa, Francisco Duarte Moura Neto, João Miguel Truong Dinh Tien, Helena Judith Nussenzveig Lopes, Severino Toscano do Rego Melo.

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Neste trabalho apresentamos métodos de Lagrangeano aumentado que são usados na resolução de Problemas de Desigualdade Variacional (PDV) em subconjuntos do Rn definidos por restrições convexas. Analisamos a convergência desses métodos para soluções do problema (PDV), apresentando as condições necessárias a fim de garantir que os algoritmos gerados convirjam. Concluimos que os principais algoritmos aqui apresentados, a saber o Método Extragradiente Lagrangeano Aumentado Inexato e o Método Extragradiente Ponto Proximal Inexato, geram a mesma sequência quando aplicados a problemas de desigualdade variacional distintos, porém interligados. Assim, garantida a existência de solução para um dos problemas e a respectiva convergência do algoritmo que lhe é empregado, concluímos que o outro algoritmo também converge fornecendo solução do respectivo problema ao qual é aplicado.

In this paper we present augmented Lagrangian methods that are used in solving Variational Inequalities Problems (VIP) into subsets of Rn defined by convex constraints. We analyze the convergence of these methods for (VIP) problem solutions, presenting the conditions necessary to ensure that the generated algorithms converge. We conclude that the main algorithms presented here, namely Inexact Augmented Lagrangian Extragradiente Method and Inexact Proximal Point Extragradiente Method, generate the same sequence when applied to distinct inequality variational problems but interconnected. Thus assured that solution to one of the problems and its convergence of the algorithm which is used, we conclude that another algorithm also converges providing solution of the respective problem that it is applied.

FAPEAM - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas

Advisors/Committee Members: Jacinto, Flávia Morgana de Oliveira, 33536341268, http://lattes.cnpq.br/2400760296636580.

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[pt] As ligações viga-pilar desempenham uma função fundamental para a determinação do comportamento real de estruturas de aço e mistas. Portanto torna-se necessária uma avaliação muito criteriosa das reais características geométricas e mecânicas destas ligações, substituindo as tradicionais considerações idealizadas, rígida e flexível, pela modelagem semi-rígida em aço ou mista. Com a intenção de dar continuidade do estudo sobre ligações semirígidas em aço e desenvolver um estudo sobre as ligações semi-rígidas mistas, inicialmente foi realizada uma revisão bibliográfica destes assuntos apresentando os parâmetros a serem desenvolvidos nesta pesquisa. Foi implementado computacionalmente um sistema de análise e dimensionamento capaz de avaliar o comportamento estrutural destas ligações a partir da informação das propriedades geométricas de ligações viga-pilar executadas com placa de extremidade em aço e mistas, produzindo uma base de dados para um projeto estrutural mais seguro. Um projeto experimental foi desenvolvido para avaliar o caminho de transmissão de esforços, através de modelos experimentais de laboratório, na forma de ensaios pull-out modificados, adaptando-se este ensaio para regiões de momento negativo, onde a laje de concreto se encontra fissurada, obtendo um ensaio capaz de produzir resultados que contribuam com o desenvolvimento da pesquisa de ligações semi-rígidas em aço e mistas.

[en] The beam-column connections play a key role in determining the actual behavior of steel and composite structures. Therefore it is necessary a very careful assessment of the real geometrical and mechanical characteristics of these joints, replacing the traditional idealized considerations, rigid and flexible for modeling semi-rigid steel or composite. With the intention of continuing the study of semirigid connections in steel and develop a study on the semi-rigid composite connections, was initially performed a revision of startled presenting the parameters to be developed in this research. We have implemented a computational system analysis and design capable of evaluating the structural behavior of these joints from the information of the geometric properties of beamcolumn connection with end plate executed in steel and composited, producing a database for a structural design safer. An experimental project was designed to evaluate the path transmittance of efforts, through experimental models of laboratory tests in the form of modified pull-out, adapting this test for regions of negative moment, where the concrete slab is cracked, obtaining a test that can produce results that contribute for the development of research of semi-rigid connections in steel and composite.

Advisors/Committee Members: SEBASTIAO ARTHUR LOPES DE ANDRADE.

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[pt] Predição de porosidade em reservatórios de óleo e gás representa em uma tarefa crucial e desafiadora na indústria de petróleo. Neste trabalho é proposto um novo modelo não-linear para predição de porosidade que trata fácies sedimentares como variáveis ocultas ou latentes. Esse modelo, denominado Transductive Conditional Random Field Regression (TCRFR), combina com sucesso os conceitos de Markov random fields, ridge regression e aprendizado transdutivo. O modelo utiliza volumes de impedância sísmica como informação de entrada condicionada aos valores de porosidade disponíveis nos poços existentes no reservatório e realiza de forma simultânea e automática a classificação das fácies e a estimativa de porosidade em todo o volume. O método é capaz de inferir as fácies latentes através da combinação de amostras precisas de porosidade local presentes nos poços com dados de impedância sísmica ruidosos, porém disponíveis em todo o volume do reservatório. A informação precisa de porosidade é propagada no volume através de modelos probabilísticos baseados em grafos, utilizando conditional random fields. Adicionalmente, duas novas técnicas são introduzidas como etapas de pré-processamento para aplicação do método TCRFR nos casos extremos em que somente um número bastante reduzido de amostras rotuladas de porosidade encontra-se disponível em um pequeno conjunto de poços exploratórios, uma situação típica para geólogos durante a fase exploratória de uma nova área. São realizados experimentos utilizando dados de um reservatório sintético e de um reservatório real. Os resultados comprovam que o método apresenta um desempenho consideravelmente superior a outros métodos automáticos de predição em relação aos dados sintéticos e, em relação aos dados reais, um desempenho comparável ao gerado por técnicas tradicionais de geo estatística que demandam grande esforço manual por parte de especialistas.

[en] Estimating porosity in oil and gas reservoirs is a crucial and challenging task in the oil industry. A novel nonlinear model for porosity estimation is proposed, which handles sedimentary facies as latent variables. It successfully combines the concepts of conditional random fields (CRFs), transductive learning and ridge regression. The proposed Transductive Conditional Random Field Regression (TCRFR) uses seismic impedance volumes as input information, conditioned on the porosity values from the available wells in the reservoir, and simultaneously and automatically provides as output the porosity estimation and facies classification in the whole volume. The method is able to infer the latent facies states by combining the local, labeled and accurate porosity information available at well locations with the plentiful but imprecise impedance information available everywhere in the reservoir volume. That accurate information is propagated in the reservoir based on conditional random field probabilistic graphical models, greatly reducing uncertainty. In addition, two new techniques are introduced as preprocessing steps for the…

Advisors/Committee Members: MARLEY MARIA BERNARDES REBUZZI VELLASCO.

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[pt] O presente trabalho trata da caracterização e simulação de compressores alternativos dos tipos automotivo, hermético e semi-hermético, motivado pela necessidade de estudo de novos refrigerantes, com menor impacto ambiental, isto é, sem potencial de destruição da camada de ozônio e baixo potencial de efeito estufa. O estudo apresenta uma metodologia para a modelagem, mediante a qual, dependendo do tipo de compressor, este é dividido nos seguintes volumes de controle: mufla de sucção, câmara de sucção, cilindro de compressão, câmara de descarga, linha de descarga, motor elétrico, carcaça do compressor, massa metálica interna e gás escoando no interior da carcaça. Equações fundamentais de conservação, de troca de calor, de queda de pressão e de propriedades termofísicas do refrigerante são aplicadas a cada volume de controle. Buscando o desenvolvimento de modelos simples, porem, ainda capazes de identificar o desempenho do compressor operando com diferentes refrigerantes, optou-se pelo desenvolvimento de modelos semi-empíricos, determinando-se coeficientes empíricos, característicos do compressor e independentes do refrigerante ou das condições de operação. Foram efetuados ensaios calorimétricos normalizados em duas instalações laboratoriais existentes para os compressores hermético e semihermético. Para o compressor hermético foi utilizado o HFC-134a como referência e foram testados os refrigerantes HFO-1234yf e HFO-1234ze(E) e a mistura HDR-17. Para o compressor semi-hermético foi utilizada uma instalação de refrigeração comercial instrumentada do tipo ar-ar, operando com a mistura R404A (referência), tendo sido testados oito novos fluidos. Para o compressor automotivo foram utilizados dados experimentais do refrigerante HFO-1234yf, existentes na literatura. A caracterização dos compressores alternativos foi bem sucedida na medida em que os parâmetros empíricos determinados a partir de diferentes refrigerantes mostraram-se com valores suficientemente próximos. Nos testes experimentais foram identificados fluidos refrigerantes com desempenho maior e baixo potencial de aquecimento global. Atingiu-se, com a modelagem, o desenvolvimento de uma ferramenta computacional capaz de predizer as condições de operação de compressores alternativos operando com novos refrigerantes, a partir do modelo baseado em parâmetros empíricos obtidos de testes experimentais com refrigerantes convencionais, de fácil obtenção. O método de gradiente reduzido generalizado (GRG) foi utilizado na solução do sistema de equações não lineares, para a caracterização dos compressores alternativos. O modelo de simulação foi desenvolvido na linguagem Fortran. As propriedades termodinâmicas dos fluidos refrigerantes foram obtidas pelo pacote computacional REFPROP (NIST Standard Reference Database 23, Version 8.0). Os valores previstos pela simulação apresentaram boa concordância com os resultados experimentais.

[en] This work shows a methodology for calculating the characteristic parameters of an open, a hermetic and a semi-hermetic reciprocating…

Advisors/Committee Members: JOSE ALBERTO DOS REIS PARISE.

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[pt] As ferramentas de perfilagem eletromagnética para poços e túneis têm sido objeto de interesse da engenharia por muitas décadas devido às suas aplicações para a exploração de petróleo. A fim de obter uma avaliação precisa de uma formação geofísica, uma ampla variedade de métodos de eletromagnetismo computacional foi desenvolvida. O alto custo em termos de recursos computacionais para o procedimento da discretização espacial é um ponto negativo desses métodos tradicionais. Esta pesquisa tem como objetivo explorar novas abordagens semianalíticas para analisar a propagação de campos eletromagnéticos em meios anisotrópicos compreendendo camadas planares. Apresentaremos uma formulação matemática para os campos eletromagnéticos de uma fonte solenoidal em termos de um somatório de autofunções modais. O método proposto permite a análise de cenários geofísicos análogos aos do Pré-Sal brasileiro, onde rochas carbonáticas de alta condutividade são predominantes. Além disso, o efeito das formações do pré e pós-sal nas ondas eletromagnéticas pode ser facilmente incorporadas no nosso modelo. Apresentaremos resultados numéricos de validação, que demonstram o potencial da abordagem proposta neste trabalho para modelar sensores geofísicos de forma computacionalmente robusta e eficiente.

[en] Electromagnetic well-logging tools have been subject of interest for many decades due to their applications in oil exploration. In order to obtain accurate formation evaluation, a wide variety of numerical methods have been developed on Computational Electromagnetics. The high cost in terms of computational time and resources of these methods for the spatial discretization procedure is a negative point of these traditional methods. In this work, we will explore new semi-analytical approaches to analyze the propagation of electromagnetic fields in anisotropic media comprising planar layers. We will present a mathematical formulation for the electromagnetic fields due to a solenoid source in terms of a sum of modal eigenfunctions. The proposed method allows the analysis of geophysical scenarios similar to those of the Brazilian Pre-Salt, where high conductivity carbonate rocks are predominant. In addition, the effect of pre- and post-salt formations on electromagnetic waves can be easily incorporated into our model. We will present numerical validation results, which demonstrate the potential of the approach proposed in this work to model geophysical sensors in a computationally robust and efficient way.

Advisors/Committee Members: GUILHERME SIMON DA ROSA, GUILHERME SIMON DA ROSA, GUILHERME SIMON DA ROSA.

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[pt] Os processos de transformação da paisagem são resultantes da interação de elementos (bióticos e abióticos) que compõe a superfície da Terra. Baseia-se, a partir de uma perspectiva holística, no inter-relacionamento de uma série de ações e objetos que confluem para que a paisagem seja percebida como um momento sintético da confluência de inúmeras temporalidades. Desta maneira, as geotecnologias passam a se constituir como um importante aparato técnico-científico para a interpretação desta realidade ao possibilitar novas e diferentes formas do ser humano interpretar a paisagem. Um dos produtos gerados a partir desta interpretação é a classificação de uso e cobertura do solo e que se configura como um instrumento central para a análise das dinâmicas territoriais. Desta maneira, o objetivo do presente trabalho é elaboração de um modelo de classificação semi-automática baseada em conhecimento geográfico para o levantamento do padrão de uso e cobertura da paisagem a partir da utilização de imagens de satélite de alta resolução, tendo como recorte analítico uma área na porção setentrional no Maciço da Tijuca. O modelo baseado na análise de imagens baseadas em objetos, quando confrontados com a classificação visual, culminou em um valor acima de 80 por cento de correspondência tanto para imagens de 2010 e 2009, apresentando valores bastante elevados também na comparação classe a classe. A elaboração do presente modelo contribuiu diretamente para a otimização da produção dos dados elaborados contribuindo sobremaneira para a aceleração da interpretação das imagens analisadas, assim como para a minimização de erros ocasionados pela subjetividade atrelada ao próprio classificador.

[en] The transformation processes of the landscape are results from the interaction of factors (biotic and abiotic) that makes up the Earth s surface. This interaction, from a holistic perspective, is then based on the inter-relationship of a series of actions and objects that converge so that landscape is perceived as a moment of confluence of numerous synthetic temporalities. Thus, the geotechnologies come to constitute an important technical and scientific apparatus for the interpretation of this reality by enabling new and different ways of interpreting the human landscape. One of the products that can be generated from this interpretation is the use classification and land cover and is configured as a central instrument for the analysis of territorial dynamics. Thus, the aim of this work is the development of a semi-automatic classification model based on geographic knowledge to survey the pattern of land use and cover the landscape from the use of satellite images of high resolution, with the analytical approach an area in the northern portion of the Tijuca Massif. The model built on an Object-Based Image Analysis, when confronted with the visual classification, culminated in a value above 80 percent match for 2010 and 2009, with very high values in the comparison class to class. The development of this model directly contributed to the…

Advisors/Committee Members: LUIZ FELIPE GUANAES REGO.

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[pt] Consideramos a análise numérica de perturbações não lineares do Laplaciano definido em regiões limitadas tratáveis pelo Método de Elementos Finitos. Supomos que as não linearidades interagem com k autovalores do Laplaciano livre. Apresentamos uma redução do problema à inversão de uma função de k variáveis e delineamos uma técnica para tal. O texto é uma extensão dos trabalhos de Cal Neto, Malta, Saldanha e Tomei.

[en] We consider the numerical analysis of nonlinear perturbations of the Laplacian defined in limited regions amenable to the Finite Element Method. The nonlinearities are supposed to interact only with k eigenvalues of the free Laplacian. We present a reduction of the problem to the inversion of a function of k variables and indicate a technique to do so. The text extends the works by Cal Neto, Malta, Saldanha and Tomei.

Advisors/Committee Members: CARLOS TOMEI.

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[pt] Berger e Podolak apresentaram uma interpretação geométrica do resultado seminal de Ambrosetti e Prodi sobre o comportamento das soluções de certas equações diferenciais parciais elípticas semi-lineares. Consideram-se extensões deste ponto de vista, a partir das quais se desenvolve um algoritmo numérico para resolver as equações.

[en] Berger and Podolak obtained a geometric interpretation of the seminal result of Ambrosetti and Prodi regarding the behavior of solutions of certain semilinear elliptic partial differential equations. We consider extensions of such interpretation to develop a stable numerical algorithm that solves the equations.

Advisors/Committee Members: CARLOS TOMEI.

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Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

O presente trabalho apresenta uma aplicação do modelo numérico SPHyCE (Smoothed Particle Hydrodynamics for Coastal Engineering), baseado num método Lagrangeano de partículas, na modelação da interacção entre uma onda regular e um quebra-mar de talude, comparando os resultados numéricos obtidos com os dados de ensaios em modelo físico realizados no LNEC à escala geométrica 1:30. Na realização deste estudo foram analisados: - O método de absorção activa: o modelo numérico SPHyCE permite modelar um canal semi-infinito por via de um método de absorção activa implementada no batedor de tipo pistão. A técnica, já validada para ondas monocromáticas, foi validada para ondas bicromáticas. - O método de acoplamento: uma técnica de acoplamento passiva entre o modelo de propagação de ondas, FLUINCO, e o modelo de interacção onde-estrutura, SPHyCE, foi desenvolvida para modelar não só a interacção onda-estrutura, mas também a propagação e transformação da onda, particularmente no caso de batimetria variável. A técnica de acoplamento permite definir o conteúdo espectral da onda incidente transformada, simulada pelo código FLUINCO, numa dada secção de acoplamento, transferindo esta informação para o modelo SPHyCE, no qual a onda é “re-gerada” utilizando um batedor de tipo pistão. A técnica de acoplamento foi analisada e validada no caso da propagação e interacção de uma onda regular com um quebra-mar de taludes. A comparação dos resultados numéricos, obtidos utilizando a técnica de acoplamento, com os dados de ensaios em modelo físico, permite verificar que o desempenho do modelo numérico é coerente: a elevação de superfície livre é bem estimada, tanto antes da estrutura, como no meio poroso do quebramar; o modelo previu um galgamento pequeno que, contudo, tal não foi observado nos ensaios em modelo físico, o que pode ser simplesmente atribuído às pequenas diferenças da estrutura relativamente à definição do meio poroso nos modelos numérico e experimental. A técnica de acoplamento permite estudar zonas relativamente extensas, do largo até às estruturas costeiras, utilizando dois modelos numéricos, cada um deles dedicado à modelação de uma zona específica do domínio de cálculo, em função das suas características, com o intuito de reduzir o tempo de cálculo computacional e garantindo uma maior precisão dos resultados.

Advisors/Committee Members: Didier, Eric, Neves, Maria da Graça.

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Tese apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil na especialidade de Estrut

A Análise Limite tem vindo a demonstrar um vasto potencial para o desenvolvimento de modelos numéricos que permitem a determinação da máxima carga suportada por uma estrutura caracterizada por um comportamento plástico. Neste trabalho é proposta uma formulação que, baseada no Teorema Cinemático da Análise Limite, visa o cálculo de limites superiores estritos de cargas de colapso. O campo das velocidades é aproximado através de funções nodais lineares ou quadráticas, utilizando-se uma outra aproximação local, independente da primeira, para aproximar o campo da taxa de deformação no domínio de cada elemento. A compatibilidade entre os campos aproximados é estabelecida com o recurso ao método do Lagrangeano Aumentado. A utilização simultânea desta duas aproximações confere à formulação a denominação de Mista. A abordagem descrita origina um problema de optimização, o qual é resolvido através de uma variante do algoritmo iterativo de Uzawa. Propõe-se ainda uma variante deste modelo, na qual é introduzida uma aproximação adicional na fronteira dos elementos. Esta terceira aproximação interpola a velocidade relativa entre elementos adjacentes, possibilitando a introdução de descontinuidades na formulação e conferindo-lhe uma característica híbrida e mista. É ainda estudado um modo alternativo de introdução de descontinuidades no modelo com base num agrupamento de elementos degenerados de espessura nula. Explorando características inerentes ao algoritmo iterativo utilizado, recorre-se a técnicas de processamento paralelo de modo a conferir à implementação do modelo elevadas capacidades de cálculo. O modelo desenvolvido revela uma grande versatilidade permitindo obter estimativas de elevadas qualidade para um vasto conjunto de problemas, não só bidimensionais mas também tridimensionais, contemplando div

Advisors/Committee Members: Antão, Armando.

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[pt] Nos projetos de engenharia é comum desconsiderar-se o comportamento semirrígido das ligações, ou seja, as ligações são assumidas com as condições ideais de rigidez. A primeira condição ideal é aquela na qual há transferência total de momento fletor, assumindo-se que não existe rotação relativa entre os elementos ligados, estas ligações são as chamadas rígidas. Na segunda opção, a transferência de momento fletor é desconsiderada e a ligação é definida como rotulada ou simples. Entretanto, sabe-se que a maioria das ligações comporta-se como semirrígida e o problema é que ao se fazer essas simplificações em projeto, dois aspectos podem ser comprometidos: segurança estrutural e custo do projeto. Neste trabalho, uma ligação semirrígida mista é proposta e estudada com o objetivo de obter-se as suas características principais e necessárias para utilizá-la em projeto: curva momento-rotação, rigidez de serviço e momento fletor resistente. Com a ligação mista proposta, busca-se uma nova maneira de transferência de forças na região de momento negativo em uma viga semicontínua. Adotou-se para a transferência dos esforços, entre a laje de concreto e a viga de aço, conectores de cisalhamento do tipo Perfobond Rib. Este conector foi inicialmente utilizado em pontes e depois alguns estudos o viabilizaram para o uso em edificações. Para atingir os objetivos do trabalho, foram realizados dois ensaios em escala real das ligações propostas. Os testes experimentais foram feitos em modelos cruciformes invertidos e realizados no laboratório de estruturas e materiais da PUC-Rio. Os resultados experimentais foram comparados com dois modelos analíticos: o método proposto por Leon et al. em 1996 e o método presente no Anexo R da NBR 8800:2008.

[en] In engineering design it is common to disregard the semi-rigid behavior of connections, i.e., connections are assumed to have the ideal conditions of rigidity. The first ideal condition is the one in which there is full transfer of bending moment, assuming that there is no relative rotation between the connected elements, this connection is defined rigid. In the second option, the transfer of bending moment is disregarded and the connection is defined simple. However, it is known that most connections have a semi-rigid behavior and the problem is that when making these simplifications in design, two aspects can be compromised: structural safety and project cost. In this work, a composite semi-rigid connection is studied in order to obtain its main and necessary features to use it in design: moment-rotation curve, service rigidity and bending moment capacity. With the proposed composite connection, a new way to transfer forces in the negative moment region on a semicontinous beam. Shear connectors like the Perfobond Rib were adopted for the transfer of efforts between the concrete slab and the steel beam. This connector was first used on bridges and since then some studies have made possible its use in buildings, showing its advantages over the more usual connectors. To achieve this work s…

Advisors/Committee Members: SEBASTIAO ARTHUR LOPES DE ANDRADE.

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In this work, the Lagrangian stochastic particle model LAMBDA is utilized to simulate the dispersion and the transport of contaminants under different atmospheric conditions. The analysis employs three different field experiments of atmospheric diffusion: the Copenhagen experiment, which was accomplished in unstable conditions, the Prairie Grass experiment in which was considered only neutral stability cases (mean wind velocity higher than 6ms-1) and the INEL experiment occurring in low wind stable conditions and presenting wind meandering phenomenon. LAMBDA is a tridimensional model to simulate the pollutants dispersion over flat terrain. The model solves the generalized form the Langevin Equation and it can use the higher moments of Eulerian probability density function of the wind velocity fluctuations. The main aim of this work is to test a new parameterization for the parameters p and q which represent the frequency associated to the meandering phenomenon. The new parameterization is expressed in terms of m , a non-dimensional quantity that controls the meandering oscillation frequency, and T , a time scale associated to the coherent structures in a fully developed turbulence. The simulations show that the LAMBDA model incorporating this new parameterization reproduces correctly the enhanced diffusion of passive scalars in a low wind speed stable atmospheric boundary layer.

Neste trabalho é utilizado o modelo de partículas estocástico Lagrangeano LAMBDA para simular a dispersão e o transporte de contaminantes sob diferentes condições atmosféricas. A análise emprega três diferentes experimentos de difusão atmosférica: o experimento de Copenhagen, que foi realizado sob condições convectivas, o experimento de Prairie Grass, em que foram considerados somente os casos de estabilidade neutra (velocidades do vento médio maiores que 6m/s) e o experimento de INEL realizado em condições estáveis com velocidade do vento fraco e apresentando o fenômeno de meandro do vento. LAMBDA é um modelo tridimensional para simular a dispersão de poluentes sobre terreno plano. O modelo resolve a forma generalizada da Equação de Langevin e pode usar os momentos de ordem superior da função densidade de probabilidade Euleriana das flutuações da velocidade do vento. O principal objetivo deste trabalho é testar uma nova parametrização dos parâmetros p e q que representam as frequências associadas ao fenômeno de meandro do vento. Esta nova parametrização é descrita em termos de m , uma quantidade adimensional que controla a frequência de oscilação do meandro e T , uma escala de tempo associada às estruturas coerentes em uma turbulência bem desenvolvida. As simulações demonstram que o modelo LAMBDA incorporando esta nova parametrização reproduz corretamente a difusão de escalares passivos em uma camada limite atmosférica estável com velocidade do vento fraco.

Advisors/Committee Members: Gervásio Annes Degrazia, Antonio Gledson de Oliveira Goulart, Jonas da Costa Carvalho.

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[pt] O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um programa computacional para a analise não-linear estática e dinâmica de pórticos planos com ligações flexíveis (semi-rígidas). Inicialmente é apresentada a metodologia de solução não-linear e as formulações dos elementos finitos adotados na base computacional implementada. Em seguida, são estudados vários exemplos de sistemas estruturais estáticos com caminhos de equilíbrio fortemente não-lineares com a finalidade de testar os programas implementados. Então é apresentada a formulação do problema dinâmico com a definição das equações diferenciais ordinárias de movimento e as expressões das matrizes de massa e amortecimento. A solução desse sistema de equações diferenciais ordinárias é obtida por métodos de integração numérica implícitos ou explícitos. Alguns destes métodos são apresentados neste trabalho e incorporados ao programa computacional em conjunto com estratégias adaptativas de incremento automático do intervalo de tempo de integração (delta)t. Por fim, o sistema computacional desenvolvido é utilizado na modelagem e obtenção da resposta estrutural estática e dinâmica de alguns sistemas estruturais planos com comportamento eminentemente não-linear. Através destes resultados são analisados alguns fenômenos importantes de instabilidade estática e dinâmica, bem como possíveis mecanismos de colapso e a influência de parâmetros físicos e geométricos no comportamento estrutural.

[en] The main objective of this thesis is to develop a numerical methodology for the nonlinear static and dynamics analysis of plane frames with semi-rigid connections. Initially, the formulations of the adopted finite elements are presented and implemented together with numerical methodologies for the solution of the non-linear equilibrium equations. Then, some examples of strongly nonlinear structural systems under static loads are studied to check the methodology. Subsequently, the ordinary differential equations of motion are derived and the corresponding damping and mass matrices are presented. The solution of this system of ordinary differential equations is obtained by implicit or explicit numerical integration methods. Some of these methods are presented in this work and incorporated into the computational program together with adaptive strategies for the automatic increment of the time step (delta)t. Finally, the computational system here developed is used to study the static and dynamic response of some plain structural systems with an inherent nonlinear behavior. A detailed parametric study is carried out to identify the influence of physical and geometric parameters on the structural behavior. This enables the analysis of some important static and dynamic instability phenomena and identification of possible mechanisms of collapse.

Advisors/Committee Members: PAULO BATISTA GONCALVES.

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[pt] Apresenta-se neste trabalho um estudo teórico da estrutura eletrônica das warwickitas homometálicas Fe2OBO3 e Mn2OBO3. Nesses materiais observou-se experimentalmente uma localização de cargas em sítios metálicos de coordenação octaédrica em temperatura ambiente. Este ordenamento se dá de maneira distinta em cada um dos compostos, e pode ser explicado por efeito Jahn-Teller (JT) na warwickita de manganês e uma possível repulsão eletrostática em Fe2OBO3. Neste trabalho, utilizamos o método de Huckel estendido (eHT) para estudar a estrutura eletrônica dos dois compostos em fase monoclínica. Cálculos de banda e densidade de estados são feitos na estrutura cristalina e diversas sub-unidades. É feito um estudo detalhado da ordem de ligação metal-oxigênio em sub- unidades octaédricas. Os resultados mostram que, na warwickita de Mn, o encurtamento de dois eixos octaédricos leva ao aparecimento de uma grande lacuna de energia dentro da banda eg, indicando a presença de efeito JT em Mn3+. Na warwickita de Fe, a grande semelhança na estrutura eletrônica e ausência de uma lacuna t2g significativa nos sítios cristalinos distintos indica equivalência eletrônica dos mesmos e situação desfavorável para efeito JT no composto. Mostra-se também que o uso da configuração de alto spin no método eHT, é o mais adequado à descrição da estrutura eletrônica em ambos os casos, levando a uma correta descrição dos estados de oxidação do metal em Mn2OBO3 e uma maior localização de cargas em Fe2OBO3.

[en] It is shown a theoretical study of the electronic structure of the homometalic warwickites Fe2OBO3 e Mn2OBO3. It is well observed that in these compounds there happens charge localization at room temperature in metallic sites of octahedral coordination. Distinct ordering mechanisms are behind each of the materials. It can be explained by the Jahn- Teller (JT) effect on Mn2OBO3 and probably by eletrostatic repulsions on Fe2OBO3 . In this work we have used the extended Hauckel Theory (eHT) to study the monoclinic phase of both materials. Density of States and band s structure calculations are performed for the cristal structure and for some defined sub-units. It is done a detailed study on the bond order of metal- oxigen for octahedral sub-units. Our results show that, in the manganese warwickite, the shorten- ing of two octahedral axes lead to the appearance of a large energy gap of inside the eg band, indicating the presence of JT effect for Mn3+. For the iron warwickite the great resemblance on the eletronic structure and the absence of a significant t2g gap in all metal sites, indicates eletronic equivalence among them, and an unfavorable situation for the JT effect in Fe2OBO3 . It is also shown that the use of high-spin configuration along with the eHT method, is best suitable for predicting a correct oxidation state for the metal in Mn2OBO3 and a sharper charge localization on Fe2OBO3.

Advisors/Committee Members: MARIA OSWALD MACHADO DE MATOS.

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[pt] As ligações viga-pilar desempenham uma função fundamental para a determinação do comportamento real de estruturas de aço. Portanto torna-se necessária uma avaliação muito criteriosa das reais características geométricas e mecânicas destas ligações, substituindo as tradicionais considerações idealizadas, rígida e flexível, pela modelagem semi-rígida.Atualmente um dos métodos mais utilizados para caracterização de ligações semi-rígidas se fundamenta no método das componentes, descrito pelo Eurocode 3, que consiste na determinação da resistência e rigidez dos elementos de maior influência no comportamento de uma ligação. Com a intenção de se desenvolver um estudo sobre as ligações semi-rígidas, inicialmente foi implementado computacionalmente um sistema de análise e dimensionamento capaz de avaliar o comportamento estrutural destas ligações a partir da informação das propriedades geométricas de ligações viga- pilar executadas com placa de extremidade, produzindo uma base de dados para um projeto estrutural mais seguro. Adicionalmente também foi executado um estudo sobre a otimização do dimensionamento de ligações semi-rígidas, através da criação de um sistema para determinação do modelo ótimo, utilizando-se algoritmos genéticos. Neste sistema, através da variação de parâmetros geométricos, determinados de acordo com a necessidade do usuário, obtém- se o modelo ideal de comportamento dentro de uma gama de soluções possíveis. Finalizando o presente estudo sobre ligações semi-rígidas, apresenta-se uma nova metodologia para consideração de ligações aparafusadas com placa de extremidade de altura variável, (header plate), que tradicionalmente são consideradas como flexíveis. Estas ligações foram analisadas através do método das componentes, determinando suas limitações de resistência à flexão e ao corte, juntamente com sua rigidez rotacional, efetuando-se modificações nas componentes apresentadas no Eurocode 3.

[en] The beam-to-column connections play fundamental role in the determination of the real behavior of steel structures. Therefore it is imperative to proper evaluate and consider the real geometric and mechanical properties of these connections, substituting the traditional idealized considerations, rigid and flexible, for the semi-rigid modelling approach. Nowadays one of the most used methods in the semi-rigid connection design is named the components method, described in the Eurocode 3. This method is based on the determination of the connection bending capacity and initial stiffness from the most relevant structural element parts. The main objective of this investigation was to evaluate the semi-rigid connection structural response. This was made by the development of a computer system capable to properly evaluate the behaviour of these connections. This program used the end plate beam-to-column connection material and geometric properties to fulfil this objective, producing a comprehensive database later to be used for more reliable structural project. Additionally an optimisation module was also…

Advisors/Committee Members: SEBASTIAO ARTHUR LOPES DE ANDRADE.

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[pt] O dimensionamento de estruturas de edifícios de aço com ligações do tipo semi-rígidas ainda enfrenta uma série de resistências por parte dos engenheiros estruturais. Este fato se deve em parte à falta de normas específicas, programas de computadores adequados e informações mais detalhadas sobre as vantagens econômicas das ligações semi- rígidas. Este trabalho apresenta um estudo paramétrico de uma edificação considerando o dimensionamento das ligações no regime semi-rígido. Estas investigações consideram parâmetros como: a rigidez das ligações, sistemas com estruturas em aço ou mistos e estabilidade lateral dos pórticos. A edificação analisada foi uma habitação popular padronizada de quatro pavimentos desenvolvida pela USIMINAS, muito difundida no Brasil. Em uma primeira etapa cada edifício foi estudado com uma rigidez de ligação semi- rígida padrão para todas as ligações da estrutura. Posteriormente ligações semi-rígida individualizadas foram adotadas para os diversos pórticos estudados. Este trabalho a princípio apresenta uma metodologia de análise e dimensionamento de estruturas em aço com ligações semi- rígidas com base no modelo de molas proposto pelo Anexo J Revisado do Eurocode 3. Com base nesta metodologia propõe- se um modelo simplificado de ligações semi-rígidas viga/coluna com o uso do programa ANSYS. Os modelos estruturais foram estudados com a inclusão dos efeitos da não linearidade geométrica dos pórticos e o comportamento elasto-plástico do material de forma a se obter resultados consistentes com os resultados experimentais e sem a introdução de coeficientes de correção. Os resultados obtidos neste trabalho foram apresentados, discutidos e comparados com os desenvolvidos pela USIMINAS de forma a se analisar o comportamento das ligações e sua eficiência. Para os edifícios considerados neste trabalho, onde se fez uso de ligações semi-rígidas padrão, o sistema mais econômico, com relação à peso de aço, foi a estrutura mista com contraventamentos (40 por cento da capacidade rígida) que teve uma economia de até 48 por cento em relação aos outros edifícios e de até 10 por cento aos sistemas da USIMINAS. Quando no uso de ligações otimizadas estas economias aumentam para 53 por cento e 15 por cento. Os resultados apresentados confirmam a vantagem da utilização deste tipo de ligação em edifícios residenciais em aço de pequena altura.

[en] Nowadays, despite the substantial increase in structural design knowledge, the semi-rigid connections steel design is still facing resistance from the structural engineers. This fact can be in part explained by few design standards that allows and explains their use, suitable computer programs and the lack of detailed information of the economical advantages of the semi-rigid design philosophy. This work presents a parametric analysis performed on a residential low-rise steel building considering all the steps necessary to a semi-rigid design. This analysis considered parameters like: beam-to-column connection stiffness and strength,structural system (steel or…

Advisors/Committee Members: SEBASTIAO ARTHUR LOPES DE ANDRADE, PEDRO COLMAR GONCALVES DA SILVA VELLASCO.

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[pt] Tradicionalmente, o projeto de pórticos em estruturas de aço assume que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis. As ligações rígidas, onde não ocorre nenhuma rotação entre os membros conectados, transferem não só momento fletor, mas também força cortante e força normal. Por outro lado, as ligações flexíveis são caracterizadas pela liberdade de rotação entre os membros conectados impedindo a transmissão de momento fletor. Desconsiderando- se estes fatos, sabe-se que a grande maioria das ligações não possuem este comportamento idealizado. De fato, a maioria das ligações transfere algum momento fletor com um nível de rotação associado. Estas ligações são chamadas semi-rígidas e seu dimensionamento deve ser executado de acordo com este comportamento estrutural real. Porém, algumas ligações viga-coluna estão sujeitas a uma combinação de momento fletor e esforço axial. O nível de esforço axial pode ser significativo, principalmente em ligações de pórticos metálicos com vigas inclinadas, em pórticos não-contraventados ou em pórticos com pavimentos incompletos. As normas atuais de dimensionamento de ligações estruturais em aço não consideram a presença de esforço axial (tração e/ou compressão) nas ligações. Uma limitação empírica de 5 por cento da resistência plástica da viga é a única condição imposta no Eurocode 3. O objetivo deste trabalho é descrever alguns resultados experimentais e numéricos para estender a filosofia do método das componentes para ligações com ações combinadas de momento fletor e esforço axial. Para se cumprir este objetivo, quinze ensaios foram realizados e um modelo mecânico é apresentado para ser usado na avaliação das propriedades da ligação: resistência à flexão, rigidez inicial e capacidade de rotação.

[en] Traditionally, the steel portal frame design assumes that beam-to-column joints are rigid or pinned. Rigid joints, where no relative rotations occur between the connected members, transfer not only substantial bending moments, but also shear and axial forces. On the other extreme, pinned joints, are characterised by almost free rotation movement between the connected elements that prevents the transmission of bending moments. Despite these facts, it is largely recognised that the great majority of joints does not exhibit such idealised behaviour. In fact, many joints transfer some bending moments associated with rotations. These joints are called semi-rigid, and their design should be performed according to their real structural behaviour. However, some steel beam-to-column joints are often subjected to a combination of bending and axial forces. The level of axial forces in the joint may be significant, typical of pitched-roof portal frames, sway frames or frames with incomplete floors. Current standard for steel joints do not take into account the presence of axial forces (tension and/or compression) in the joints. A single empirical limitation of 5 percent of the beam s plastic axial capacity is the only enforced provision in Annex J of Eurocode 3. The objective of the…

Advisors/Committee Members: SEBASTIAO ARTHUR LOPES DE ANDRADE.

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[pt] Nos últimos tempos, vários pesquisadores têm desenvolvido formulações ou proposições geometricamente não-lineares para elementos finitos com a finalidade de se examinar o comportamento de pórticos com ligações semirígidas. Dentre estes trabalhos destaca-se o de Chan e Chui [6], que desenvolveram um elemento de barra híbrido com duas molas, com rigidez a rotação, condensadas nas suas extremidades. Implementado o elemento híbrido proposto por Chan e Chui [6] no solver FEMOOP [28] e testado, pode-se constatar que este elemento apresenta um comportamento inadequado na representação dos momentos fletores, quando submetido a cargas distribuídas. Esta constatação conduziu a implementação de um novo elemento, elemento de ligação, proposto neste trabalho, que se comportasse adequadamente em qualquer situação de carregamento. O uso deste elemento tornou possível modelar mais precisamente o comportamento da estrutura, sem a necessidade de qualquer tipo de discretização do carregamento. Além disso, este elemento de ligação também permite simular análises elasto-plásticas das ligações e até mesmo das barras da estrutura. Assim, este trabalho tem como principal objetivo validar, com base em investigações presentes na literatura, as formulações implementadas relativa à análise linear (elemento híbrido e elemento de ligação) e não-linear (elemento de ligação) de sistemas estruturais semi-rígidos, bem como as implementações computacionais realizadas para essa metodologia. Desta forma, foi desenvolvido um sistema, chamado FTOOL/SRC, que possibilita a geração de análises paramétricas que balizem o uso adequado de ligações semi- rígidas, de forma simples e compacta graças a uma interface gráfica eficiente e ao uso de um resolvedor externo FEMOOP [28].

[en] Over the past few years various researchers have been developing geometrically non-linear finite elements formulations with the purpose of examining the behaviour of frames with semi-rigid connections. Among these works it is appropriate to mention Chan and Chui, [6], that developed a hybrid finite bar element containing two rotational springs condensed at its extremities. As this hybrid finite element, Chan and Chui [6] was implemented and tested in the solver FEMOOP, [28], it was verified that it presented an inadequate representation of bending moments, when distributed loads were used. This verification led the implementation of a rotational spring finite element that could tackle any loading conditions. The use of this element enables the users to accurate model the structural behaviour, without the need of any additional loading discretization. Additionally, this connection element also allows elasto-plastic simulation analyses of the connections, and even of the structures bars, to be performed. The main objective of the present investigation was to validate, based in updated literature investigations, the finite element formulations implemented. These procedures included linear (hybrid element and connection element) and non-linear (connection element) analysis of…

Advisors/Committee Members: SEBASTIAO ARTHUR LOPES DE ANDRADE.

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Estrategias de penalização são muito utilizadas no trato de problemas com restrições. Problemas inerentes a escolha de valores adequados para os termos de penalização dificultam a obtenção de resultados contáveis e robustos na sua aplicação em problemas da otimização estrutural. Tecnicas baseadas em modelos de penalização adaptativa tem apresentado relativo sucesso quando aplicadas em conjunto com algoritmos evolucionistas. Apresenta-se aqui uma nova alternativa utilizando uma estrategia de lagrangeano aumentado para o trato das restrições do problema de otimização estrutural. Encontra-se na literatura modelos para penalização adaptativa bem como o uso do lagrangeano aumentado em conjunto com algoritmos geneticos geracionais. O objetivo desse trabalho e adaptar um modelo de penalização para um algoritmo genetico não geracional, bem como criar um algoritmo baseado em lagrangeano aumentado tambem para o algoritmo não-geracional. Esses algoritmos foram aplicados em estruturas reticuladas, muito utilizadas na construção civil como coberturas de ginasios, hangares, galpões, etc. O desempenho desses tipos de estruturas e funções matemáticas foi analisado com as tecnicas de tratamento de restrição apresentadas nesse trabalho. Isso foi feito durante a busca de soluções otimas na tentativa de minimizar os custos e satisfazer as restrições adequadas para diversas estruturas e funções matematicas.

Penalty strategies are widely used in dealing with problems with constraints. Problems inherent in the choice of appropriate values for the terms of penalties dicult to obtain reliable and strong results in its application in problems of structural optimization. Techniques based on models of adaptive penalty has shown some success when applied in conjunction with evolutionary algorithms. Here is presented a new alternative using augmented Lagrangian strategy for dealing with the problem of constrained structural optimizations. It is found in the literature models for adaptive penalties as well as the use of the augmented Lagrangian together with generational genetic algorithms. The aim of this work is to adapt a model of penalization for non-generational genetic algorithm, as well as create an algorithm based on augmented Lagrangian as also for a non-generational algorithm. These algorithms were applied to structures, widely used in construction as coverage of gymnasiums, hangars, etc. The performance of these types of structures and functions was analyzed using mathematical techniques for handling constraints presented in this work. This was done during the search for optimal solutions in an attempt to minimize costs and satisfy the constraints appropriate for various structures and mathematical functions.

Advisors/Committee Members: Afonso Celso de Castro Lemonge, Helio José Correa Barbosa, Leonardo Goliatt Fonseca, Carlos Cristiano Hasenclever Borges.

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Foi realizada uma parametrização para os processos de transporte em uma camada limite planetária (CLP) dominada pela turbulência mecânica, empregando quantidades estatísticas turbulentas medidas durante eventos do Vento Norte no Sul do Brasil. Assim, espectros observados de energia turbulenta unidimensionais são comparados com um modelo espectral baseado na hipótese de Kolmogorov válida para uma turbulência desenvolvida. A boa concordância obtida a partir desta comparação permite derivar formulações para as variâncias de velocidade turbulenta, escala de tempo de decorrelação local e para os coeficientes de difusão. Além disso, o coeficiente de difusão vertical derivado a parir dos dados de vento norte apresenta um perfil semelhante àquele obtido dos conceitos da mecânica estatística não-extensiva. Finalmente, a validação da presente parametrização foi realizada utilizando-se um modelo de dispersão estocástico Lagrangeano. São simuladas as concentrações medidas ao nível do solo no experimento clássico de Prairie-Grass sob condições de vento forte. A análise desenvolvida no presente estudo mostra que a parametrização da turbulência, construída a partir de dados de casos de Vento Norte, é capaz de descrever a difusão em condições de vento forte, em uma CLP gerada pela turbulência mecânica.

A parameterization for the transport processes in a shear driven planetary boundary layer (PBL) has been established, employing turbulent statistical quantities measured during the north wind phenomenon in southern Brazil. Therefore, observed one-dimensional turbulent energy spectra are compared with a spectral model based on the Kolmogorov arguments. The good agreement obtained from this comparison leads to well defined formulations for the turbulent velocity variances, local decorrelation time scale and eddy diffusivities. Furthermore, for vertical regions in which the wind shear forcing is relevant, the eddy diffusivity derived from the north wind data presents a similar profile as those obtained from the non-extensive statistical mechanics theory. Finally, a validation for the present parameterization has been accomplished, using a Lagrangian stochastic dispersion model. Twind speed, is simulated. The analysis developed in this study shows that the turbulence parameterization constructed from wind data for north wind flow cases is able to describe the diffusion in a high wind speed, shear-dominated PBL.he Prairie Grass data set, which presents high mean

Advisors/Committee Members: Otávio Costa Acevedo, Osvaldo Luiz Leal de Moraes, Jonas da Costa Carvalho, Gervásio Annes Degrazia, Ricardo de Camargo.

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[pt] Ligações semi-rígidas em estruturas de aço tem apresentado uso crescente na construção metálica, pois é uma opção que permite um melhor aproveitamento da capacidade da estrutura. Neste trabalho apresentam-se as características e a classificação das ligações semi-rígidas bem como a evolução da modelagem numérica e analítica do comportamento destas ligações. Apresenta-se uma metodologia com base no método dos elementos finitos para avaliar numericamente a relação momento-rotação de conexões viga-coluna em estruturas de aço. Parte essencial desta metodologia é a modelagem da ligação e de seus diversos componentes. Um modelo completo em termos da geometria, capaz de representar a interação entre os diversos componentes da conexão é proposto. Esta modelagem inclui a discretização de todos os componentes da conexão: placa e ou cantoneiras, porcas, coluna e viga, sendo a extensão da viga e da coluna a ser considerada no modelo escolhida por calibração do mesmo. O contato entre os componentes da ligação é considerado por meio de algoritmo específico de contato com base na formulação de um problema linear complementar. Considera-se contato sem atrito entre corpos deformáveis. A fim de representar com mais fidelidade as características tridimensionais do problema, adota-se uma modelagem também tridimensional com base em elementos finitos híbridos hexaédricos de oito nós, permitindo o emprego de uma discretização relativamente grosseira. Fenômenos como a presença de grandes deformações, plastificação dos componentes e a pré-tensão dos parafusos são incluídos no modelo. Os modelos apresentados são empregados para o estudo do comportamento de ligações tipo placa de extremidade estendida e tipo cantoneira de alma simples. Para validação dos modelos são comparados os resultados numéricos com dados experimentais. Analisa-se também a participação da flexibilidade dos diversos componentes da conexão, tais como: parafuso, placa de extremidade, mesa da coluna, na resposta da conexão.

[en] Semi-rigid connections are now-a-days widely employed by steel structures. Such connections take better advantage of the overall structure capabilities. In this work the properties and classification of semi-rigid connections is discussed. Additionally numerical and analytical models for prediction of connection behavior are presented. A finite element based methodology for the numerical evaluation of moment-rotation relations and load carrying capacity of semi-rigid connections is proposed. An important feature of this model is a complete a three dimensional geometrical description of the many components of the connection, such as plates, column, beam, bolts and nuts and the interaction between them. The extension of beam and column to be modeled is determined by numerical calibration. Frictionless contact between the connection components is considered by a specific contact algorithm which ensures non- penetration and permits separation of the individual parts. In this work a solution strategy for the contact problem based on the…

Advisors/Committee Members: DEANE DE MESQUITA ROEHL.