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Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná O Polidimetilsiloxano (Polydimethylsiloxane (PDMS)) é um polímero com cadeias baseadas em silício que apresenta excelentes qualidades para ser usado na indústria biomédica (inerte, transparente, inodoro) além de uma elevada elasticidade que permite que este seja modelado como um material hiperelástico. Existem inúmeros modelos constitutivos que descrevem o comportamento de tal material, mas ainda não existem muitos estudos que levam em consideração concentradores de tensões nesses materiais. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo avaliar a influência de três diferentes concentradores de tensão em materiais hiperelásticos através de simulações numéricas com três diferentes modelos constitutivos, e também comparar estes modelos constitutivos com os valores reais de deformação desses materiais, através de testes de Correlação Digital de Imagem (CDI), de modo a observar qual dos modelos estudados é mais adequado para concentradores de tensão. Os três espécimes foram projetados de modo a cada espécime ter um tipo diferente de concentrador de tensão. Foram fabricados os modelos em PDMS, realizados os ensaios uniaxiais de tração e então foram avaliadas as deformações através das imagens captadas por meio da técnica de CDI. Em conjunto, os projetos foram inseridos em ANSYS para as simulações para cada modelo constitutivo e então foi feita a comparação entre as simulações por meio de ferramentas estatísticas (Análise de Variância e teste de Tukey). Pôde-se observar que não existiu diferença significativa entre os modelos e que os concentradores de tensão diferem muito do que ja conhecemos em outros materiais. Polydimethylsiloxane (PDMS) is a polymer with silicon-based chains that has excellent qualities to be used in the biomedical industry (inert, transparent, odorless) in addition to a high elasticity that allows it to be modeled as a hyperelastic material. There are numerous constitutive models that describe the behavior of such material, but there are not many studies that consider stress concentrators in these materials. Therefore, this work aims to evaluate the influence of three different stress concentrators on hyperelastic materials through numerical simulations with three different constitutive models, and also to compare these constitutive models with the real deformation values of these materials, through Digital Image Correlation (DIC) tests, in order to observe which of the studied models is most suitable for voltage concentrators. The three specimens were designed so that each specimen has a different type of stress concentrator. PDMS models were -manu- factured, uniaxial tensile tests were performed and then deformations were evaluated through images captured using the DIC technique. At the same time, the projects were also made in ANSYS for the simulations for each constitutive model and then the comparisons between the simulations were made using statistical tools (Analysis of Variance and Tukey test). It was observed that there was no significant difference between the models and that the stress concentrators differ a lot from what we already know in other materials.

As relações não lineares de tensão-deformação (S-e) são necessárias para a análise de elementos finitos (AEF) de componentes elastoméricos. As curvas de resposta desses materiais são obtidas por uma série de experimentos, principalmente testes de tração e compressão. Diversas equações constitutivas desta classe de material são apresentadas na literatura. Neste trabalho, ensaios de tração e compressão foram realizados em corpos de prova de borracha natural (NR-60) para determinar as constantes de material de múltiplos modelos constitutivos. Além disso, com o auxílio de testes experimentais de bancada, foi obtida a curva força-deslocamento de um coxim automotivo de borracha submetido a uma carga unidirecional. Na última etapa, as constantes do material foram usadas como dados de entrada no software Abaqus®, para realizar uma análise de elementos finitos do comportamento do coxim de borracha e determinar qual modelo de energia de deformação seria capaz de produzir a menor quantidade de erro relativo. A metodologia aplicada no presente estudo revelou que os modelos constitutivos de Arruda-Boyce e Neo-Hookeano foram os mais adequados para reproduzir o comportamento de força-deslocamento do coxim de borracha na simulação 3D de elementos finitos. The nonlinear stress-strain (S-e) relations are required for the finite element analysis (FEA) of elastomeric components. These materials’ response curves are obtained by a series of experiments, mostly tensile and compression tests. Numerous constitutive equations of this class of material are presented in literature. In this work, tensile and compression tests were performed on natural rubber (NR-60) specimens to determine the material constants of multiple constitutive models. In addition, with the aid of experimental bench tests, the load-displacement curve of an automotive rubber mount subjected to a unidirectional load was obtained. In the last step, the material constants were used as input in Abaqus® software, to perform a finite-element analysis of the rubber mount behavior and determine which strain energy model produced the least amount of relative error. The methodology applied in the present study revealed that the Arruda-Boyce and Neo-Hookean constitutive models were the most adequate to reproduce the force-displacement behavior of the rubber mount in 3D finite element simulations.

The evaluation of performance of three coupled pressure (PWP) generation models and stress-strain constitutive models are applied to granular soils. Those constitutive models are used to recommend them for subsequent application in seismic site-response analysis in effective stresses. The performance of the three-coupled models were evaluated using a database of 25 selected high quality cyclic simple shear tests. The conducted analysis suggested that the simple Coupled GMP and stress-strain constitutive model reasonably capture PWP behavior observed in the laboratory tests, they are analyzed better than using advanced constitutive models, and all of them can be used to perform effective stress-based one-dimensional site-response analysis. En el presente artículo se evaluó el desempeño de tres modelos constitutivos esfuerzo-deformación acoplados con presión de poros a suelos granulares con el objetivo de recomendar su posterior aplicación en el análisis sísmico de respuesta de sitio. El desempeño de los tres modelos acoplados se evaluó utilizando una base de datos de 25 ensayos de corte simple cíclico de alta calidad. Los análisis realizados sugieren que el modelo acoplado de esfuerzo-deformación y GMP captura razonablemente el comportamiento de presión de poros observado en los ensayos de laboratorio de una mejor manera que los modelos constitutivos más avanzados y todos ellos se pueden utilizar para realizar análisis unidimensional de respuesta de sitio considerando esfuerzos efectivos.

Submitted by Natasha Valladão (natashasilvaa4@gmail.com) on 2021-01-29T15:26:02Z No. of bitstreams: 1 JulianaOliveiraPereira-compactado.pdf: 4815479 bytes, checksum: 8941678fb2963d2235fd26c76bfe00c6 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-29T15:26:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JulianaOliveiraPereira-compactado.pdf: 4815479 bytes, checksum: 8941678fb2963d2235fd26c76bfe00c6 (MD5) Previous issue date: 2019-08 Selecionar o modelo constitutivo mais adequado e estimar o seu conjunto de parâmetros para descrever o comportamento reológico de um dado fluido viscoelástico continuam sendo desafios na área de reologia de polímeros. É nesse contexto que o presente trabalho está inserido, visando a utilização da fluidodinâmica computacional e técnicas experimentais para validar uma metodologia para estimação de parâmetros dos termos não lineares dos modelos constitutivos, baseada na viscosidade de cisalhamento e na diferença das tensões principais. Para isso, o processamento de uma amostra de polietileno linear de baixa densidade (LLDPE) foi realizado em um reômetro multipasse de duplo pistão, acoplado a um módulo óptico, que permite a aquisição de imagens de birrefringência induzida por escoamento. Os padrões de franjas brilhantes e escuras, observados nas imagens, foram relacionados ao campo de tensões. O processamento do polímero foi realizado a 140, 150 e 160°C e em três velocidades diferentes, através de uma geometria slit-die. Experimentos em reômetros rotacional e capilar também foram realizados para a obtenção dos módulos dinâmicos e da viscosidade de cisalhamento. Em relação à etapa computacional, a partir dos módulos dinâmicos, o espectro de relaxação do material foi determinado e a rotina para estimação de parâmetros dos termos não lineares dos modelos constitutivos foi implementada de forma acoplada ao solver viscoelasticFluidFoam, disponível no OpenFOAM, software livre de fluidodinâmica computacional. Os resultados mostraram que os modelos constitutivos de Giesekus e Phan-ThienTanner exponencial com os parâmetros estimados, foram capazes de representar o comportamento do fluido viscoelástico e predizer satisfatoriamente as observações experimentais obtidas no reômetro multipasse, validando a metodologia proposta. To select the most suitable constitutive model and to estimate its set of parameter for describing the rheological behavior of a given viscoelastic fluid, it remains a challenging task in polymer rheology. In this context that the present work is inserted, aiming at the use of computational fluid dynamics and experimental techniques in order to validate a methodology for parameter estimation of nonlinear terms of constitutive models, based on shear viscosity and the difference of the principal stresses. For this, the processing of a low density linear polyethylene (LLDPE) sample was performed in a multipass rheometer of double piston, coupled to an optical module, which allows the acquisition of flow induced birefringence images. The bright and dark fringe patterns observed in the images were related to the stress field. Polymer processing was performed at 140, 150 and 160°C and at three different velocities using a slit-die geometry. Experiments on rotational and capillary rheometers were also performed to obtain the dynamic modules and the shear viscosity. In relation to the computational step, from the dynamic modules, the material relaxation spectrum was determined and the routine for the parameter estimation of nonlinear terms of constitutive models was implemented coupled to the viscoelasticFluidFoam solver, available in OpenFOAM, open source software of computational fluid dynamics. The results showed that Giesekus and exponential Phan-Thien-Tanner constitutive models with the estimated parameters were able to represent the viscoelastic fluid behavior and to predict satisfactorily the experimental observations obtained in the multipass rheometer, validating the proposed methodology.

Doctoral Thesis in Civil Engineering, A presente tese foca-se no desenvolvimento de ferramentas numéricas para a análise e dimensionamento de elementos estruturais em betão reforçado com fibras (BRF). Neste trabalho são abordadas as mais recentes regras e recomendações de projeto expostas nos regulamentos em vigor sendo, quando necessário, complementadas com modelos mais avançados resultantes de trabalhos de investigação sobre estruturas de BRF. Com base nas atuais regras de projeto foi desenvolvido um programa de cálculo automático dedicado à análise da secção transversal de elementos estruturais de BRF, com e sem armaduras convencionais de reforço, sujeitos a esforços axial, corte e flexão, de forma a realizar as verificações de segurança relativamente aos estados limite últimos e de serviço. Foi realizada, também, uma avaliação do desempenho dos modelos de resistência ao corte propostos no fib Model Code 2010 para elementos em BRF, através da comparação da capacidade preditiva dos modelos com os resultados experimentais de uma base de dados de ensaios de corte. A presente tese abrange, do mesmo modo, o desenvolvimento de uma ferramenta numérica para a análise de elementos estruturais de BRF que conjuga o efeito da orientação e segregação das fibras nos elementos estruturais de BRF, e a resistência ao arranque das fibras. A capacidade preditiva do novo modelo foi verificada através da simulação de vigas entalhadas de betão reforçado com fibras de aço submetidas ao ensaio de flexão de 3-pontos. Adicionalmente, foram abordados alguns aspetos particulares de elementos estruturais em BRF. Neste âmbito, um novo modelo de simulação da resposta viscoelástica em fluência de materiais de matriz cimentícia, desde as idades jovens, foi desenvolvido e implementado num programa baseado no método de elementos finitos – FEMIX – tendo sido acoplado aos modelos termo-mecânicos já aí implementados. Adicionalmente, foi desenvolvido um novo modelo constitutivo especialmente dedicado à simulação da interface entre lajes de BRF apoiadas no solo e as camadas granulares da fundação da laje, com o intuito de captar os mecanismos relevantes que induzem dano neste tipo de estruturas de BRF., This thesis is devoted to the development of numerical tools for the analysis and design of fiber reinforced concrete (FRC) structural elements. This work focuses on the description of the most recent design guidelines and recommendations obtained from design codes, being complemented with more advanced models published in academic works on FRC structures. Based on these guidelines a software was developed for the analysis of FRC cross-sections with and without conventional reinforcements, submitted to bending and shear with or without axial force, to assess the ultimate and serviceability limit state safety verifications of structural members. An assessment of the shear resistance models for FRC members proposed in the fib Model Code 2010 was conducted, by evaluating its predictive performance with the results of shear tests collected in a database. It was developed an innovative numerical tool for the analysis of FRC structures that couples the effects of fiber orientation and segregation in the FRC members, and fiber pullout resistance. The performance of the new model was assessed by simulating steel fiber reinforced concrete notched beams submitted to 3-point bending tests. Moreover, particular topics regarding some structural application of FRC were explored. In this scope, a new model capable of predicting the aging creep response of cement-based materials, since early ages, was proposed and implemented in a finite element method software – FEMIX – and was coupled with the already available thermo-mechanical models. Flooring is still the main application of FRC, and the simulation of the interface between the FRC slab and the soil supporting system is a relevant aspect for controlling crack formation and propagation, mainly due to shrinkage and thermal effects coupled with restriction to the membrane deformability of the FRC slab. A new constitutive model was developed and implemented in FEMIX, especially aimed to simulate the interface between FRC slabs supported on ground and the granular layers of the slab’s foundation, in attempt to capture relevant mechanisms that promote damage in this type of FRC structures.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:00:19Z No. of bitstreams: 1 Pedro Gomes dos Santos Pereira_BDTD.pdf: 3904282 bytes, checksum: 54b6bd592e855ed959945e04d633bc25 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:00:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pedro Gomes dos Santos Pereira_BDTD.pdf: 3904282 bytes, checksum: 54b6bd592e855ed959945e04d633bc25 (MD5) Previous issue date: 2018-12-20 The present research aims to do a numerical study using stone column techni-que on a test embankment, located at Santa Cruz, Rio de Janeiro. The em-bankment was built on very soft and compressible clay. Contemporary engineering constantly strives for constructive methods and processes that take into account the efficiency and effectiveness of design in order to achieve satisfactory results and according to the designers prediction. For this reason, it is necessary to improve and verify the analytical and empirical methods previously formulated. Nowadays, with the development of technology and the creation of softwares, classic methods can be analyzed and compared with the finite element method processed by computational efforts, generating database enrichment and academic reviews. This work briefly presents a review of stone columns, addressing installation effects, project calculation methodologies, case studies carried out with this solution, and numerical and analytical studies of stone columns around the world. After this, the objective is focused on numeri-cal analysis of the case study where the data of the instrumentation were measured. These data are compared with the results of vertical displacement, horizontal displacement, excess pore pressure and yield of the columns obtained by two finite element programs: Plaxis and RS2 (from Rocsience). The Mohr-Coulomb model was also compared to the results obtained by the Cam-Clay model made by Lima (2012). The compatibility of the results presented by both finite element softwares was evaluated as satisfactory. O presente trabalho estuda numericamente o uso da técnica de coluna de brita em um aterro teste, em um depósito de pilha de minério, localizado no bairro de Santa Cruz e implantado sobre argila compressível muito mole. A engenharia contemporânea preza constantemente por métodos e processos construtivos que levem em conta a eficiência e a eficácia dos dimensionamentos, com a finalidade de que sejam atingidos resultados satisfatórios e de acordo com a previsão dos projetistas. Por esta razão, faz-se necessário o aprimoramento e averiguações, analíticas e empíricas, de métodos anteriormente formulados. Com o avanço da tecnologia e o surgimento de softwares, métodos então consagrados podem ser analisados e comparados com o método dos elementos finitos processados por esforços computacionais, gerando um enriquecimento do banco de dados e revisões acadêmicas relacionadas a estes. Este trabalho apresenta sucintamente uma revisão bibliográfica sobre colunas de brita, abordando efeitos de instalação, metodologias de cálculo de projetos, casos de obras realizadas com esta solução e estudos numéricos e/ou analíticos de obras em coluna de brita realizadas pelo mundo. Após esta, o objetivo se concentra em uma análise numérica do estudo de caso em questão onde são utilizados os dados da instrumentação realizada no aterro teste. Estes dados são comparados com os resultados de deslocamento vertical, deslocamento horizontal, excesso de poropressão e plastificação das colunas obtidos por dois programas de elementos finitos: Plaxis e RS2 (da empresa Rocsience). O modelo constitutivo utilizado para as análises numéricas foi o Mohr-Coulomb que também foi comparado com os resultados obtidos no modelo Cam-Clay modelado por Lima (2012). Foi avaliada como satisfatória a compatibilidade dos resultados apresentados pelos dois softwares de elementos finitos.

Made available in DSpace on 2020-01-15T16:48:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6253_13746.pdf: 4345684 bytes, checksum: a3705316cbeae5a97ede2ef91cb6951c (MD5) Previous issue date: 2018-07-11

Las nuevas filosofías de diseño definen un nuevo campo para entender el comportamiento de las estructuras frente a eventos sísmicos, teniendo en cuenta nuevos parámetros, que aunque implícitos en las filosofía actual son muy relevantes. El diseño por desempeño motiva al ingeniero calculista a involucrarse un poco más en los principios fundamentales y lo coloca en una posición de entender fenómenos como histéresis, amortiguamiento hiusteretico, espectro reducido, entre otros. Ahora bien, las metodologías de desempeño tratan de indagar sobre el comportamiento individual de los elementos que conforman la estructura, con el objetivo extrapolar el comportamiento global, en otras palabras, ir de lo particular a lo general dejando de lado las incertidumbres involucradas en las metodologías actuales. Este trabajo da a conocer los conceptos fundamentales para entender las diferentes metodologías que existen en el área del desempeño sísmico y por la tanto de la nueva ingeniería estructural. Abstract: The new design philosophies define a new field to understand the behavior of structures in the face of seismic events, taking into account new parameters, which although implicit in current philosophy are very relevant. Performance design motivates the calculating engineer to get a little more involved in the fundamental principles and places him in a position to understand phenomena such as hysteresis, hyperethric damping, reduced spectrum, among others. Now, the performance methodologies try to investigate the individual behavior of the elements that make up the structure, with the objective of extrapolating the global behavior, in other words, going from the particular to the general, leaving aside the uncertainties involved in the methodologies current This work gives to know the fundamental concepts to understand the different methodologies that exist in the area of the seismic performance and therefore of the new structural engineering Maestría

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O projeto da maioria das obras geotécnicas requer, para além da verificação da segurança em relação a diferentes estados limites últimos, a estimativa dos movimentos associados à sua construção. O recurso à via numérica é o modo mais eficiente de o fazer, exigindo, no entanto, a sua aplicação uma escolha criteriosa do modelo constitutivo a empregar.Um modelo constitutivo de uso cada vez mais generalizado em solos compactos ou rijos é o Hardening Soil Model, implementado no programa de cálculo automático Plaxis, que, associando algumas das vantagens dos modelos mais simples com as dos mais elaborados e complexos, consegue ser parametrizado com base em ensaios de emprego corrente e reproduzir algumas das principais características do comportamento mecânico dos solos interessados pelas obras.O objetivo desta dissertação é então o de verificar a aptidão do Hardening Soil Model em reproduzir convenientemente a resposta de um solo a carregamentos com diferentes trajetórias de tensões, servindo-nos do caso particular das “Areolas da Estefânia”, formação miocénica que constitui grande parte do subsolo da região de Lisboa.Na primeira parte da dissertação, recorrendo à bibliografia especializada e a alguns resultados de um estudo paramétrico realizado, aborda-se os principais aspetos referentes aos modelos constitutivos dos solos, com especial ênfase no modelo de Mohr-Coulomb, sem dúvida o modelo ainda hoje de longe mais utilizado, e no Hardening Soil Model, e faz-se uma análise comparativa do desempenho destes dois modelos na reprodução de diferentes trajetórias de tensões.Na segunda parte da dissertação, recorrendo-se a alguns resultados de ensaios laboratoriais realizados em amostras colhidas na formação das “Areolas da Estefânia” publicados na bibliografia, começa-se por definir os parâmetros caracterizadores do Hardening Soil Model e verifica-se a aptidão do modelo para reproduzir os resultados experimentais obtidos nos diversos tipos de ensaios e com diferentes trajetórias de tensões.Por fim, são apresentadas as principais conclusões do trabalho e são propostos alguns estudos a serem desenvolvidos no futuro no âmbito da temática abordada. The design of most geotechnical works requires besides to the verification of safety in relation to different final limit states, the estimation of the movements associated with their construction. The use of numerical models are the most efficient way of doing this, but its application requires a careful choice of the constitutive model to be used.A constitutive model of general use in compact or hard soils is the Hardening Soil Model, implemented in the automatic calculation program Plaxis, which, combining some of the advantages of the simplest models with others more elaborate and complex, can be parameterized with Based on current employment tests and reproduce some of the main characteristics of the mechanical behavior of the soils interested in the works.The objective of this dissertation is to verify the ability of the Hardening Soil Model to reproduce the soil response to different stress trajectories, using the particular case of the "Areolas da Estefânia", a myocene formation that constitutes a large part of the subsoil of the Lisbon region.In the first part of the dissertation, using the specialized bibliography and some results of a parametric study, are exposed the main aspects of the constitutive models of the soils, with special emphasis on the Mohr-Coulomb model, the most used model nowadays, and the Hardening Soil Model, and is elaborated a comparative analysis of the performance of these two models in the reproduction of different trajectories of tensions.In the second part of the dissertation, using some results of laboratory tests carried out on samples collected in the "Areolas da Estefânia" formation published in the bibliography, it begins by defining the characterizing parameters of the Hardening Soil Model and verify the suitability of the Model to reproduce the experimental results obtained in the different types of tests and with different stress trajectories.Finally, the main conclusions of the paper are presented and some studies are proposed to be developed in the future in the scope of the subject.

Máster en Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A alvenaria é um material compósito, constituído basicamente por unidades e juntas de argamassa (vertical e horizontal), podendo estar associada também a outros materiais, como o aço e o graute. No Brasil, a partir da década de 80, a alvenaria estrutural acabou se consolidando como um sistema construtivo altamente produtivo, racional e econômico devido a características como: simplificação das técnicas de execução, menor diversidade de materiais empregados, redução da mão de obra e rapidez na execução. Em alvenaria estrutural, uma das possibilidades de execução que pode ser explorada é o não preenchimento das juntas verticais, também chamada de juntas secas. A adoção desta prática gera certas vantagens como a diminuição no tempo de execução da obra, a redução do consumo de materiais e a minimização da fissuração provocada pelas deformações intrínsecas, como retração e deformações térmicas. No entanto, apesar de ser empregada a alguns anos no país, as implicações decorrentes de seu uso muitas vezes não têm sido consideradas de forma apropriada nos projetos, isto se deve ao fato de existirem poucas pesquisas que tratam deste assunto. Além disso, as pesquisas existentes, por vezes, apresentam resultados que divergem entre si, principalmente no que se refere à resistência à compressão e ao cisalhamento. Neste trabalho foram efetuadas simulações numéricas de pequenas paredes de unidades cerâmicas e de concreto, com e sem juntas verticais, ensaiadas com as prescrições da NBR 15812-2 (ABNT, 2010), NBR 15961-2 (ABNT, 2011) e NBR 14321 (ABNT, 1999), com a finalidade de avaliar a influência do não preenchimento das juntas verticais na resistência à compressão e ao cisalhamento da alvenaria. Para a realização das análises numéricas foi utilizado o Método dos Elementos Finitos a partir do software DIANA®. De acordo com os resultados numéricos obtidos nos modelos em compressão, e da comparação entre estes e os resultados experimentais, foi possível concluir que a ausência das juntas verticais não influenciou na resistência à compressão da alvenaria. Contudo, a partir dos resultados obtidos nos modelos em cisalhamento, conclui-se que não foi possível avaliar quantitativamente a influência das juntas verticais na resistência ao cisalhamento da alvenaria. Masonry is a composite material, consisting basically of units and mortar joints (vertical and horizontal), and may also be associated with other materials, such as steel and grout. In Brazil, from the 1980s, structural masonry consolidated itself as a highly productive, rational and economical construction system due to characteristics as: simplification of execution techniques, less diversity of materials employed, reduction of labor and speed execution. In structural masonry, one of the execution possibilities that can be explored is the non-filling of vertical joints, also called dry joints. The adoption of this practice generates certain advantages as the reduction in the execution time of the construction, the reduction of the consumption of materials and the minimization of the cracking caused by the intrinsic deformations, such as retraction and thermal deformations. However, despite be employed to some years in country, the implications of its use often has been not properly considered in the projects, this is due to the fact that there is few research that deals with this subject. Moreover, the existing researches sometimes present results that diverge from each other, mainly with respect to the resistance to compression and shear. In this work, numerical simulations of small walls of ceramic and concrete units, with and without vertical joints, tested with the requirements of NBR 15812-2 (ABNT, 2010), NBR 15961-2 (ABNT, 2011) and NBR 14321 (ABNT, 1999). The purpose of this work was to evaluate the influence of non-filling of vertical joints on the compressive strength and shear strength of the masonry. For the numerical analyzes, the Finite Element Method was used from DIANA® software. According to the numerical results obtained in the models in compression, and the comparison between these and the experimental results, it was possible to conclude that the absence of the vertical joints did not influence the compressive strength of the masonry. However, from the results obtained in the shear models, it was concluded that it was not possible to quantitatively evaluate the influence of the vertical joints on the shear strength of the masonry.

Una de las alternativas para el aprovechamiento de la biomasa es a través de los biocombustibles sólidos generados mediante procesos de densificación de mezclas carbón-aserrín; sin embargo, la densidad final y el grado de cohesión de estos sólidos varían dependiendo de características tales como cantidad de carbón en la mezcla y presión de compresión. El presente trabajo busca evaluar la aplicabilidad que poseen los modelos de compresión existentes, elaborados para combustibles a partir de residuos agrícolas cuando se utilizan en mezclas carbón-aserrín de tamaño de partícula uniforme a diferentes presiones. A diferencia de los modelos Walker y Heckel, el modelo de Kawakita dio los mejores resultados para las mezclas binarias con factores de correlación lineal superiores a 0,95. Esto permite analizar las diferentes presiones que se deben manejar para alcanzar valores de densidad superiores a 900kgm-3, beneficiando la etapa de diseño de los sistemas de manufactura. An alternative to harness biomass resources for energy production is by producing solid biofuels. The final density and the durability of solid biofuels made of coal-sawdust mixtures vary depending upon characteristics such as the coal mass ratio in the mixture and the applied pressure. This work aims to evaluate the applicability that existing constitutive models, obtained from biofuels based on agricultural residues, have when using binary coal-sawdust mixtures of uniform particle size at different pressures. Unlike the Walker and Heckel model, the Kawakita model exhibited the best results fitting a coefficient of determination R2 greater than 0.95. This model allows to analyze the different pressures that should be employed to achieve solids with final densities above 900kgm-3, improving the design stage of manufacturing systems.

El comportamiento de elementos de hormigón armado y pretensado sometidos a cortante ha sido tradicionalmente objeto de estudio de las denominadas Teorías de Campos de Compresiones . En los últimos años varios autores han modificado parcialmente el modelo mecánico en que se apoyan dichas teorías a fin de incluir el efecto de la tensorrigidez del hormigón (o capacidad del hormigón de resistir tracciones entre fisuras) en la ecuación de comportamiento del acero; el sistema de ecuaciones resultante es altamente no-lineal e involucra una gran cantidad de variables. El presente artículo plantea, a partir de datos experimentales ya existentes, el ajuste del modelo de cortante propuesto por una de estas teorías, usando para ello algoritmos evolutivos. Los algoritmos evolutivos son una rama emergente de la computación natural, cuyo principal objetivo es la resolución de problemas de optimización y búsqueda, computacionalmente costosos, en un tiempo razonable. Estos métodos se caracterizan por la creación de una población que representa posibles soluciones del problema. Los individuos de la población se combinan y compiten entre sí con el fin de buscar el individuo (solución) más apto para el problema tratado. Los resultados numéricos obtenidos presentan un error relativo inferior al 10% respecto a los valores experimentales considerados, validando así la estrategia evolutiva y situándola como una alternativa seria en problemas de ajuste computacionalmente costosos. The behavior of reinforced and prestressed concrete members subjected to shear has been traditionally studied by the so-called Compression-Field Theories. In the last years several authors have modified the mechanical model of such theories in order to include the tension-stiffening effect of the concrete in the steel constitutive model; the resulting system of equations is highly non-linear and involves a great number of unknowns. From an experimental database of RC beams, this work performs an adjustment of the shear model proposed by one of these theories using evolutionary algorithms. Evolutionary algorithm is a branch of Natural Computing. Its computations start from an initial population of individuals (randomly generated) and proceed according to rules of selection and other operators, such as recombination and mutation. The main objective of such algorithms is to find good solutions in a reasonable time-frame. Numerical results show a relative error between numerical results and experimental data less than 10%, what validates genetic algorithms as a good alternative for solving these computationally-intensive adjustment problems.

O objetivo desta dissertação de mestrado é a inclusão de modelos constitutivos clássicos da plasticidade no ambiente computacional INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), desenvolvido no Departamento de Engenharia de Estruturas da Universidade Federal de Minas Gerais. O trabalho tem início com uma abordagem sobre o arcabouço teórico necessário para a implementação da teoria matemática da plasticidade. São descritos de forma detalhada os principais modelos de plasticidade utilizados nas análises de engenharia: Tresca, vonMises, Mohr-Coulomb e Drucker-Prager. São também descritos os modelos de Ottosen e Willam-Warnke utilizados para o estudo do comportamento do concreto. É apresentada a formulação dos modelos constitutivos baseada em tensão e as leis de encrua mento as quais um material pode ser submetido. Também são abordados os algoritmos para mapeamento de retorno, necessários para a integração das relações constitutivas que regem o comportamento do material no contexto de plasticidade computacional. A seguir, é discutida a metodologia necessária para que os objetivos deste trabalho fossem alcançados, explicitando os principais recursos do sistema INSANE e os módulos onde foram realizadas as implementações. Vários exemplos são apresentados, visando ilustrar as possibilidades de modelagem proporcionada pelos modelos de plasticidade presentes no INSANE. Os resultados obtidos nessas análises são comparados com os já existentes na literatura para a verificação da estabilidade e acurácia dos modelos. This master's thesis is concerned about the addition of classic constitutive models of plasticity into the computing environment INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), developed at the Department of Structural Engineering of the Federal University of Minas Gerais. The work starts with a discussion of the theoretical framework necessary for the implementation of the mathematical theory of plasticity. The main plasticity models used in engineering analysis are describedin detail: Tresca, von Mises, Mohr-Coulomb and Drucker-Prager. The models of Ottosen and Willam-Warnke used to study the behavior of the concrete are also described. The formulation of the constitutive models based on stress and hardening laws which a material may be subjected are showed. The return mapping algorithms, required for the integration of constitutive relations governing the behavior of the material in the context of computational plasticity, are discussed. Then, the necessary methodology to achieved objectives of this work, explaining the mainfeatures of INSANE system and the modules where the implementations were held. Several examples are presented, in order to illustrate the modeling possibilities provided by the plasticity models present in INSANE. The results of these analyzes are compared with those from the literature to veried the stability and accuracy of the models.

Este documento está dividido en tres capítulos, y un conjunto de anexos, con la siguiente estructura: En el Capítulo 1, “Memoria Descriptiva”, se detalla en qué consiste el proyecto, donde se localiza la obra, se describe de forma breve la estación de Utrera, se justifica cual ha sido el problema por el que se lleva a cabo la obra y la solución propuesta. En el capítulo 2 “Normativa a Considerar”, se detallan las normas y documentación que se ha utilizado. En el Capitulo 3 “Memoria Constructiva, se llevaran a cabo una evaluación de las diferentes soluciones, y se justificará mediante la técnica de decisión multidisciplinaria, cuál será la solución más optima. Además se describen los cálculos de la solución adoptada, con todas sus características y un resumen de los resultados que han sido obtenidos del cálculo con el programa Cype. En los “Anexos”, de detallara el funcionamiento de Cype, modelos de cálculos que este utiliza y comprobaciones de Armado, resultados de armado de cada batache y su construcción

99 páginas. Doctorado en Ingeniería Estructural. Se formulan e implantan elementos finitos viga-columna con discontinuidades embebidas para modelar la formación de articulaciones en elementos estructurales ante acciones de cargas cuasi-estáticas. Los elementos finitos se desarrollaron mediante la aproximación de funcionales de energía de elementos barras y vigas. En la formulación de estos elementos se desarrollaron vigas delgadas, las cuales incluyen la energía de deformación por flexión, y vigas gruesas que además consideran las deformaciones por cortante. Las matrices de los elementos barras y vigas se agruparon para obtener el elemento viga-columna delgada, el cual puede desarrollar discontinuidades en el desplazamiento axial y en la rotación, así como el elemento viga-columna gruesa que además puede desarrollar discontinuidades en el desplazamiento transversal. El comportamiento constitutivo del elemento viga-columna considera la fuerza normal contra el desplazamiento axial, la fuerza cortante contra la deformación por cortante y el momento contra rotación. Estos modelos constitutivos se implantaron con base en la mecánica del daño. Los comportamientos constitutivos se formularon a partir de resultados de pruebas experimentales o numéricas reportadas en la literatura. Adicionalmente, se implantaron los comportamientos constitutivos de juntas longitudinales entre elementos de concreto para el estudio de túneles construidos con dovelas. Para validar los elementos finitos y modelos constitutivos, se realizaron ejemplos correspondientes a vigas, marcos y túneles dovelados, los cuales se discretizaron con elementos vigas-columnas gruesas y/o delgadas. Los resultados numéricos obtenidos mostraron congruencia con los resultados de pruebas experimentales y numéricas reportadas en la literatura. “Beam-column” finite elements with embedded discontinuities for modeling hinge development in structural elements under quasi-static load actions are formulated and implemented. The finite elements were developed by approximating the energy functional of bars and beam elements. In the formulation of these elements, thin beams were developed, which consider flexural strain energy, and thick beams, which also consider shear strain energy. The matrices of bars and beams elements were grouped together to obtain the thin beam-column element, which could develop discontinuities in the axial displacement and in the rotation, and the beam-column thick element, which also could develop discontinuities in the transverse displacement. The constitutive behavior of beam-column element considers the normal force vs axial displacement; shear force vs shear deformation and the moment vs rotation. These constitutive models were implemented based on damage mechanics. Constitutive behavior was formulated from experimental results and/or numerical tests reported in the literature. Additionally, the constitutive behavior of longitudinal joints between concrete elements were implemented for the study of segmented tunnels. To validate the finite elements and constitutive models, examples for beams, frames and segmented tunnels were performed, which were discretized with thick and/or thin beam-columns elements. The numerical results show consistency with the results of experimental and numerical tests reported in the literature. Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (México).

Se presenta en este trabajo una investigación experimental y numérica del contacto normal de una esfera rígida con una placa plana de material cuyo comportamiento mecánico se asume de tipo elasto-plástico. Los esfuerzos locales bajo el punto de contacto se han obtenido experimentalmente mediante visualización foto-elástica. Se ha evaluado numéricamente la evolución de los bulbos de esfuerzo bajo el punto contacto como función del tiempo y se ha efectuado la comparación con las observaciones experimentales. Los resultados indican que un modelo elasto-plástico tridimensional reproduce de manera apropiada las características principales observadas en los experimentos físicos. Este ejercicio puramente académico y de carácter didáctico enfatiza en el enorme potencial de los elementos finitos en la solución de problemas de deformación bajo diferentes tipos de modelos constitutivos y pone de manifiesto la enorme utilidad del modelamiento matemático y computacional basado en aproximaciones continuas de la materia.

Con el fin de estudiar el comportamiento mecánico de arcillas típicas de la Sabana de Bogotá, se llevó a cabo un programa de investigación experimental en laboratorio que incluyó ensayos básicos de caracterización, consolidación unidimensional y compresión triaxial consolidada no drenada. De los resultados se obtuvieron los principales parámetros de resistencia y deformabilidad de acuerdo con la teoría del estado crítico. Estos parámetros permiten conformar un modelo de comportamiento bajo el régimen elastoplástico. Se utilizó el modelo Cam-Clay Modificado (CCM) para reproducir las deformaciones resultantes para cada trayectoria de esfuerzos aplicada. Se compararon las curvas producidas por el modelo con respecto a los resultados experimentales, lo que permitió identificar bajo cuales condiciones el modelo simula mejor el comportamiento del suelo y sobre qué variables se debe trabajar para obtener un modelo constitutivo completo.

El modelo desarrollado busca predecir los esfuerzos y deformaciones de un pavimento de manera más real, realizando un análisis elástico tridimensional con solicitaciones de carga de ejes dobles, constituyéndose en un avance respecto de modelos axisimétricos bidimensionales que sólo representan el comportamiento bajo cargas de ejes sencillos. Etapas anteriores de esta investigación dan cuenta de modelos bidimensionales de carga simple bajo distintas hipótesis de liga entre capas y modelos constitutivos no lineales, no obstante, el propósito es avanzar en la metodología de análisis del estado tenso-deformacional ante cargas estándar. El modelo se implementó en el programa Algorã y se realizó una comparación con el programa multicapa de distribución libre Elsym5. Los resultados advierten la existencia de concentraciones de esfuerzos de corte en la capa asfáltica que pueden ser causantes de fallas importantes que no son tenidas en cuenta en los tradicionales métodos de diseño lo cual podría llevar a la posibilidad de revaluarlos. The model developed tries to predict the stresses and strains of the structure of the pavement in a more real way, doing a lineal elastic structural analysis in three dimensions with capacity to model loads of double axes, that which constitutes an advance regarding two-dimensional axisymmetrical models that only represent the state tense-deformational of the pavement under loads of simple axes. Earlier stages of this research showed two-dimensional models under different load scenarios, league between layers and nonlinear constitutive models, however the purpose is to move towards analysis methodology stress-strain state under standard loads. The model was implemented in the Algorã program and a comparison with the Elsym5 multilayer freeware was performed. The results warn the existence of shear stress concentrations that can be causing major flaws that are not considered in traditional design methods which could lead to the possibility of reassessed.

En este trabajo se presenta un modelo para el análisis del comportamiento estructural de la mampostería basado en una técnica de homogeneización fenomenológica. La rigidez, la resistencia y demás propiedades mecánicas de los materiales componentes intervienen activamente en la definición del comportamiento y el modo de falla del conjunto, por lo que resulta necesario recurrir a métodos y técnicas que permitan representar y reproducir el comportamiento tanto lineal como no-lineal del compuesto, ya sea a través de micro-modelos o macro-modelos. En este estudio, en particular, se emplean macro-modelos basados en técnicas de homogeneización, que permiten representar el comportamiento del compuesto sorteando las heterogeneidades presentes en la mayoría de los materiales estructurales, tratando al mismo como un material homogéneo anisótropo con propiedades medias (homogeneizadas). Así es posible derivar el comportamiento global de la estructura a partir del comportamiento de los materiales constituyentes adoptando modelos constitutivos diferentes para cada uno de ellos. En este trabajo, la técnica de homogeneización que se utiliza es apropiada para aquellos materiales que tienen una configuración periódica y permite trabaja en dos escalas: una escala micromecánica, donde quedan especificadas las propiedades mecánicas y geométricas de los materiales componentes, y una escala macromecánica en la cual el material es tratado como si fuese homogéneo. Concretamente en este trabajo, en el que se modelan estructuras de mampostería periódica se consideran dos componentes: ladrillo y juntas de mortero. En particular, para el mortero, se emplea un modelo de daño que considera degradación diferenciada para las partes volumétrica y desviadora del tensor constitutivo, el cual fue propuesto previamente por los autores. El trabajo se completa con una serie de ejemplos que permiten apreciar los resultados obtenidos en paneles de mampostería de ladrillos sometidos a cargas horizontales, a través de un análisis push-over, en combinación con distintos niveles de cargas verticales de pre-compresión inicial. Estos resultados permiten analizar la evolución del daño con el nivel de carga y los modos de falla de los paneles, con distintas combinaciones de carga y relaciones de aspecto. Fil: Quinteros, Ricardo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Salta. Instituto de Investigaciones Para la Industria Química. Universidad Nacional de Salta. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Para la Industria Química; Argentina Fil: Bellomo, Facundo Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Salta. Instituto de Investigaciones Para la Industria Química. Universidad Nacional de Salta. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Para la Industria Química; Argentina Fil: Nallim, Liz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Salta. Instituto de Investigaciones Para la Industria Química. Universidad Nacional de Salta. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones Para la Industria Química; Argentina Fil: Oller, Sergio. Universidad Politécnica de Catalunya. Institut de Robòtica I Informàtica Industrial.; España

En este trabajo se presenta la formulación y validación de un modelo de degradación elástica diferenciado. El modelo propuesto permite degradar en forma diferenciada la parte volumétrica y desviadora del comportamiento constitutivo del material y está basado en una generalización del modelo de degradación simple de Kachanov. De esta manera, el modelo resulta especialmente apropiado para simular el comportamiento de materiales friccionales. En particular, este modelo se aplica a los materiales componentes de una mampostería de ladrillos homogeneizada mediante una técnica particular ad hoc¸ que permite su tratamiento como material compuesto anisótropo, partiendo de las características geométricas y mecánicas de los materiales constituyentes. Para el tratamiento de la anisotropía, se usa la técnica de mapeo de espacios a través del concepto de espacio isótropo ficticio. La metodología planteada brinda una gran potencia de simulación pudiéndose también utilizar, si fuera necesario, otras formulaciones constitutivas diferentes para el comportamiento de los materiales componentes de la mampostería. El modelo constitutivo propuesto, junto con la técnica de homogeneización se implementa en un programa general de elementos finitos. Finalmente, se muestran los resultados obtenidos en ejemplos simples de validación del modelo y luego se presentan ejemplos de aplicación que muestran la respuesta no lineal del compuesto y su comparación con resultados publicados por otros autores. Fil: Quinteros, Ricardo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Salta. Instituto de Investigación para la Industria Química (i); Argentina. Universidad Nacional de Salta. Facultad de Ingenieria; Argentina Fil: Oller Aramayo, Sergio Alejandro. Centro Internacional de Métodos Numéricos en la Ingeniería; España. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina Fil: Nallim, Liz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Salta. Instituto de Investigación para la Industria Química (i); Argentina. Universidad Nacional de Salta. Facultad de Ingenieria; Argentina

En este trabajo se presenta la formulación y validación de un modelo de degradación elástica diferenciado. El modelo propuesto permite degradar en forma diferenciada la parte volumétrica y desviadora del comportamiento constitutivo del material y está basado en una generalización del modelo de degradación simple de Kachanov. De esta manera, el modelo resulta especialmente apropiado para simular el comportamiento de materiales friccionales. En particular, este modelo se aplica a los materiales componentes de una mampostería de ladrillos homogeneizada mediante una técnica particular ad hoc¸ que permite su tratamiento como material compuesto anisótropo, partiendo de las características geométricas y mecánicas de los materiales constituyentes. Para el tratamiento de la anisotropía, se usa la técnica de mapeo de espacios a través del concepto de espacio isótropo ficticio. La metodología planteada brinda una gran potencia de simulación pudiéndose también utilizar, si fuera necesario, otras formulaciones constitutivas diferentes para el comportamiento de los materiales componentes de la mampostería. El modelo constitutivo propuesto, junto con la técnica de homogeneización se implementa en un programa general de elementos finitos. Finalmente, se muestran los resultados obtenidos en ejemplos simples de validación del modelo y luego se presentan ejemplos de aplicación que muestran la respuesta no lineal del compuesto y su comparación con resultados publicados por otros autores.

Esta tese apresenta um arcabouco teorico e computacional para modelos constitutivos baseados em degradacao elastica. Modelos classicos para tratar a degradacao do meio material sao abordados no contexto da estrutura teorica e computacional proposta. Alem disso, modelos de fssuracao distribuida sao reformulados, considerando-se multiplas funcoes de carregamento desacopladas e uma regra de degradacao generalizada. Para ilustrar a potencialidade do arcabouco teorico e computacional criado, alguns modelos de dano encontrados na literatura sao implementados bem como um modelo de plasticidade classica. Tambem e proposto um novo modelo de dano com multiplas funcoes de carregamento. O sistema computacional criado toma partido do paradigma de programacao orientada a objetos, possibilitando implementar a unificacao teorica proposta, independentemente do metodo numerico aplicado. Contudo, apenas o Metodo dos Elementos Finitos (MEF) e usado na validacao desta estrutura teorica e dos modelos constitutivos nela inseridos. Varios exemplos de aplicacao sao apresentados, visando ilustrar as possibilidades de modelagem proporcionada pela biblioteca de modelos constitutivos reunida neste trabalho. O novo modelo de dano proposto e validado por meio de exemplos que comparam os resultados do mesmo com resultados experimentais ou obtidos com outros modelos, disponiveis na literatura. This thesis presents a theoretical and computational framework for constitutive models based on elastic degradation. Classical models to deal with material's media degradation are addressed in the context of the theoretical and computational proposal. In addition, smeared cracking model's are reformulated, considering multiple uncoupled loading functions and a generalized degradation rule. To illustrate the potentiality of the created theoretical and computational framework, some damage models, founded in the literature, are implemented as well as a classical plasticity model. Also is proposed a new damage model with multiple loading functions. The created computational system takes advantage of the object-oriented programming paradigm, enabling to implement the proposal unifed theoretical framework, independently of the applied numerical method. However, only the Finite Element Method (FEM) is used in the validation of this unifed theory and the constitutive models inserted on it. Several application examples are presented, in order to illustrate the modeling possibilities provided by the constitutive models library gathered in this work. The new proposed damage model is validated by examples that compare their results with experimental results or obtained with other models, available in the literature.

En este trabajo se estudia el comportamiento micromecánico de materiales compuestos reforzados con fibras cortas, de diferentes formas y dimensiones, ubicadas en una orientación preferencial. El análisis se lleva a cabo utilizando una técnica de homogeneización y una teoría de mezclas serie-paralelo. Para la aplicación de la teoría de mezclas generalizada se realiza la calibración y validación de un modelo para compuestos propuesto en trabajos anteriores. Dicho modelo tiene en cuenta la participación en la deformación y tensión del compuesto de cada uno de los componentes en sus direcciones principales de ortotropía. La calibración se lleva a cabo, en el rango elástico, mediante la técnica de homogenización de Mori-Tanaka empleando los tensores de Eshelby para considerar inclusiones elipsoidales de distintas formas y dimensiones. De esta manera es posible obtener la distribución de tensiones y deformaciones en el interior del compuesto y definir y verificar de manera relativamente simple las hipótesis de la teoría de compuestos estudiada. En el trabajo se incluyen comparaciones de resultados obtenidos a través del método analítico basado en la determinación del campo elástico por inhomogeneidades de Mori-Tanaka, del modelo basado en la teoría de mezclas serie - paralelo y resultados experimentales. Estos resultados incluyen también la determinación de las propiedades elásticas de compuestos con fibras cortas con una orientación preferencial. Finalmente, se presentan ejemplos de aplicación de la teoría de mezclas calibrada para fibras cortas, mostrando la respuesta no lineal de estos compuestos y su comparación con resultados experimentales. Fil: Quinteros, Ricardo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Salta. Instituto de Investigación para la Industria Química (i); Argentina. Universidad Nacional de Salta; Argentina Fil: Nallim, Liz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Salta. Instituto de Investigación para la Industria Química (i); Argentina. Universidad Nacional de Salta; Argentina Fil: Luccioni, Bibiana Maria. Universidad Nacional de Tucuman. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologia. Instituto de Estructuras "Ing. Arturo M. Guzman"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In recent times, much research effort has been undertaken aiming at the development of the so-called smart materials, understood as those that exhibit coupling between two or more physical domains in such a way that, when stimulated externally, they undergo controlled variations of some of their properties, such as viscosity, stiffness, volume or electrical conductivity. The degree of maturity of the technology of smart materials and structures is confirmed by numerous examples of applications found in industrial products. The present work is dedicated to the study of shape memory alloys, which are considered as being some of the most promising smart materials in terms of potentiality for industrial innovation. Those materials present the capacity of, once submitted to external loads, recovering their original form and dimensions through the application of thermal cycles or by removing the load. This behavior is due to two effects exhibited by those materials: shape memory and pseudoelasticity. The present dissertation reports the study carried-out by the author concerning some of the most relevant constitutive models intended for the description of the thermomechanical behavior of shape memory alloys, based on assumed transformation kinetics and on internal variables with constraints. The understanding of such models is considered to be essential for the development of modeling procedures of intelligent devices. After the description of the potentiality of applications of the shape memory alloys in the context of the smart material and structures technology and the assessment of the most relevant phenomenological aspects, specially the underlying phase transformations, the formulations of some constitutive models, chosen among those considered to be the most representative ones, are described, namely: models with assumed transformation kinetics (Tanaka, Liang-Rogers, Brinson, and Boyd-Lagoudas models) and models based on internal variables with constraints (modified Fremond and Savi and coauthors models). Numerical simulations are carried-out with the aim of evaluating the main features of the models considered and validating the numerical implementations by comparisons with results extracted from the literature. Afterwards, the analytical developments and numerical simulations regarding the incorporation of the Liang- Rogers model in a single-degree-of-freedom vibrating system are presented, enabling to evaluate the interest in using shape memory alloys for the purpose of vibration control. The study reported herein has been developed in the context of the National Institute of Science and Technology of Smart Structures in Engineering, leaded by the Structural Mechanics Laboratory Prof. J.E.T. Reis, of the School of Mechanical Engineering of the Federal University of Uberlândia, which is dedicated to the study of the foundations and applications of intelligent materials to various problems of engineering as well as to multidisciplinary problems. Ultimamente tem-se investido grande esforço em pesquisas com vistas ao desenvolvimento dos chamados materiais inteligentes, entendidos como aqueles que exibem acoplamento de dois ou mais domínios físicos, de modo que, quando externamente estimulados, sofrem alterações controladas de algumas propriedades como a viscosidade, volume, rigidez, resistência elétrica e condutividade. O grau de amadurecimento da tecnologia de materiais e estruturas inteligentes é comprovado pela existência de numerosos exemplos de utilização em produtos industriais. O presente trabalho é dedicado ao estudo das ligas com memória de forma (shape memory alloys), que são considerados como um dos materiais inteligentes mais promissores no tocante às inovações industriais. Trata-se de materiais que possuem a capacidade de, uma vez submetidos a cargas externas, recuperar sua forma e dimensões originais quando sujeitos a ciclos térmicos apropriados ou quando o carregamento é retirado. Esses materiais apresentam duas propriedades especiais que os diferenciam dos outros materiais, a memória de forma, propriamente dita, e a pseudoelasticidade. O presente memorial reporta o estudo desenvolvido pelo autor acerca de alguns dos principais modelos constitutivos que foram desenvolvidos para a representação do comportamento termomecânico de materiais com memória de forma. A compreensão destes modelos é essencial para o desenvolvimento de procedimentos de modelagem de dispositivos inteligentes. Após a descrição das potencialidades de aplicação no contexto da tecnologia de estruturas inteligentes e da fenomenologia subjacente ao comportamento das ligas com memória de forma, notadamente as transformações de fase austenitamartensita, apresentam-se as formulações de alguns modelos constitutivos, selecionados dentre aqueles considerados os mais representativos, incluídos em duas categorias distintas, a saber: modelos com cinética de transformação assumida (modelos de Tanaka, de Liang-Rogers, de Brinson, e de Boyd-Lagoudas) e modelos baseados em variáveis internas (modelos de Fremond modificado e de Savi e colaboradores). Em seguida, são apresentados resultados de simulações numéricas realizadas com o objetivo de avaliar as principais características dos modelos estudados e validar as implementações realizadas mediante confrontação com resultados extraídos da literatura. Por fim, são apresentados os desenvolvimentos analíticos e simulações numéricas realizadas para incorporação do modelo de Liang-Rogers em um sistema vibratório de um grau de liberdade, que permitiu comprovar o potencial de utilização dos materiais com memória de forma para o controle de vibrações. O estudo realizado se insere nas atividades desenvolvidas no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Estruturas Inteligentes em Engenharia, sediado pelo Laboratório de Mecânica de Estruturas Prof. José Eduardo Tannús Reis - LMEst, da Faculdade de Engenharia Mecânica da UFU, que se dedica ao estudo dos fundamentos e aplicações de materiais inteligentes em diversos tipos de problemas de engenharia e problemas multidisciplinares. Mestre em Engenharia Mecânica

Para poder describir el comportamiento de un material de manera adecuada es necesario establecer modelos constitutivos (relaciones constitutivas o ecuaciones) que representen matemáticamente su comportamiento ante cargas externas. Los modelos constitutivos están formados por relaciones establecidas entre el tensor de esfuerzos y el tensor de deformaciones y que representa una descripción idealizada del comportamiento real. Los dos modelos básicos más frecuentes aplicados son el idealmente elástico e idealmente plástico. Los materiales reales casi nunca cumplen las condiciones definidas por los términos de los modelos antes mencionados pero estos fueron principalmente usados debido a su simplicidad que es indispensable para la práctica profesional. En los años recientes con el desarrollo de la teoría de la plasticidad así como también del uso de computadoras cada vez más potentes y programas de cómputo amigables han aparecido nuevos modelos elasto-plásticos que describen de una manera más realista las características no lineales de diversos materiales tales como el concreto, suelo, roca, etc. En la tesis se presenta en el capítulo inicial unos antecedentes, algunas notas sobre las estructuras de adobe, los objetivos del trabajo, las fases de trabajo y una descripción general de los elementos modelados. En el capítulo dos se hace una revisión de las nociones básicas de plasticidad y la definición del modelo de material de Von Mises usualmente aplicado a metales, una teoría general para el cálculo implícito de esfuerzos dentro de un paso de carga llamada el método del parámetro de gobierno. En el tercer capítulo se presentaran nociones básicas de mecánica de suelos y una visión general del comportamiento de suelos bajo carga. Luego se da una revisión histórica de la plasticidad de suelos y finalizando se presentan modelos con límite de compresión hidrostática, el modelo de Cambridge para arcillas y un modelo general de la plasticidad de suelos para los cuales se muestran procedimientos computacionales para la integración implícita de esfuerzos. Finalmente, en el cuarto capítulo, se aplica uno de los modelos de comportamiento no lineal presentados anteriormente para el modelamiento de especímenes de adobe usando un programa de elementos finitos como es el ADINA. Se hizo un análisis comparativo de los resultados obtenidos de dichos modelamientos y de los resultados obtenidos de ensayos llevados a cabo en el CISMID durante los últimos años. To describe the behavior of a material properly it is necessary to establish constitutive models (constitutive relations and equations) that mathematically represent their behavior under external load. The constitutive models are composed by relations established between the stress tensor and strain tensor and represent an idealized description of actual behavior. The two most frequent basic models are ideally-elastic and ideally-plastic models. Real materials rarely match the conditions defined by terms of the models mentioned above but these were primarily used because of its simplicity which is essential for professional practice. In recent years with the development of the theory of plasticity as well as the use of computers more powerful and user-friendly computer programs have appeared new elasto-plastic models that describe more realistic features of nonlinear materials such as concrete, soil, rock, etc. The thesis presents in its initial chapter a background, some notes about adobe structures, objectives of the thesis, phases of work and an overview of the elements modeled. In chapter two it is made a review of the basics of plasticity and the definition of the material model of Von Mises usually applied to metals, next presents a general theory for implicit stress integration within a load step called the governing parameter method. The third chapter presents basic notions of soil mechanics and an overview of soil behavior under load. Then there is a historical review of plasticity of soils and finally presents models with limited hydrostatic compression, Cam-Clay model and a general soil plasticity model for which are shown computational procedures for implicit stress integration. Finally, in the fourth chapter, a nonlinear models behavior presented above is applied for modeling adobe specimens using finite element software such as ADINA. A comparative analysis of the results of the modeling and the results obtained in tests carried out at CISMID in the last years was made. Tesis

Esta tesis de maestría tiene como objetivo analizar, desarrollar, implementar y validar un modelo constitutivo que represente el comportamiento de estructuras de concreto reforzado con fibras cortas por medio del método de los elementos finitos. El modelo implementado considera un estado plano de esfuerzos, deformaciones infinitesimales y cargas aplicadas estáticas. Inicialmente se simuló el comportamiento estructural en el rango elástico por medio de un modelo de material compuesto basado en la teoría de mezclas clásica. Este modelo fue implementado en el método de los elementos finitos considerando una inclinación de las fibras aleatoria y diferente en cada elemento finito. Del análisis estadístico realizado se obtuvieron las propiedades mecánicas promedio del concreto reforzado con fibras cortas y se concluyó que tal material exhibe un comportamiento isótropo. Para describir el comportamiento inelástico del material se utilizaron varios modelos constitutivos y se analizaron sus ventajas y desventajas. Finalmente se desarrolló un nuevo modelo constitutivo de plasticidad que permite tener resistencias a tracción y a compresión diferentes. El modelo constitutivo propuesto se basa en la formulación de la teoría de la plasticidad y en el dominio elástico definido por el modelo de daño continuo de Oliver y colaboradores (1990). Algunos ensayos experimentales de probetas sometidas a fuerza axial o flexión se simularon con este modelo mostrando resultados satisfactorios. / Abstract. The objectives of this thesis are: to analyze, develop, implement and validate a constitutive model which represents the structural behavior of the short fiber reinforced concrete by means of finite element methods. The implemented model considers plane stress state, infinitesimal strain and applied static loads. Initially, the structural behavior in elastic regime is modeling by means of a composite material model based on classic mixing theory. This model was implemented in the finite element methods considering a random and different fiber orientation each finite element. In the statistical analysis, the average mechanical properties of the short fiber reinforced concrete were obtained and the conclusion is that the material exhibits an isotropic behavior. In order to describe the inelastic behavior of the material, some constitutive models were used and its advantage and drawback were analyzed. Finally, a new plasticity constitutive model with difference between the tensile and compressive strength was developed. The proposed constitutive model is based on the formulation of plasticity theory and in the elastic domain defined by the continuum damage model of Oliver and collaborators (1990). Some experimental test of specimens subjected to axial forces or bending were simulated with this model and its results were satisfactory. Maestría

This work presents a discussion on the employment of a damage model recently proposed for concrete and other damage models in the non-linear analysis of reinforced concrete structures. The validation of the model is obtained by the comparison between numerical responses and experimental ones. The model proposed by Pituba regards concrete as an initially isotropic medium that starts to present plastic deformations, bimodularity and anisotropy induced by the damage. The model proposed by Mazars considers concrete to be an elastic and isotropic medium. Next, the model proposed by La Borderie is presented. This isotropic damage model takes into account plastic deformations induced by the damage. In the second part of the work, the models are used in the analysis of reinforced concrete structures, where the numerical responses are compared with experimental ones. The results evidence the good performance of the damage models on the simulation of the behavior of reinforced concrete structures. In particular, the employment of the damage model proposed by Pituba is valid. It is noted that the simple formulations of damage models can present results with good accuracy leading to possible practical applications in Structural Engineering. O artigo apresenta uma discussão sobre a aplicabilidade de modelos de dano na análise não-linear física de estruturas em concreto armado, procurando, particularmente, validar a proposta de um modelo formulado recentemente por Pituba que compara as respostas numéricas obtidas com as respostas de modelos já testados, além de respostas experimentais encontradas na literatura. O modelo proposto admite o concreto como meio inicialmente isótropo e que passa a apresentar deformações plásticas, bimodularidade e anisotropia induzidas pelo dano. Já o modelo proposto por Mazars considera o concreto como meio elástico e isótropo. Em seguida, apresenta-se a formulação do modelo proposto por La Borderie, que leva em conta deformações plásticas induzidas pelo dano e mantém a característica de isotropia do material. Na segunda parte do trabalho, os modelos são empregados na análise de vigas e pórtico em concreto armado, e as respostas numéricas são confrontadas com medidas experimentais. Os resultados evidenciam o bom desempenho dos modelos de dano e, em particular, valida-se o emprego do modelo proposto por Pituba nas situações estudadas. Observa-se ainda que formulações simples de modelos de dano para o concreto podem apresentar resultados bastante satisfatórios, dando margem para possíveis aplicações na prática da Engenharia de Estruturas.

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil - Estruturas e Geotecnia As ligas com memória de forma possuem duas propriedades singulares: a memória de forma e a superelasticidade. A memória de forma, é a capacidade do material recuperar a sua forma original através de uma variação de temperatura. A segunda propriedade destas ligas, e na qual esta dissertação se focará, é a superelasticidade. A superelasticidade é a propriedade termo-mecânica do material que permite a recuperação da forma inicial ao ser cessado o carregamento a que este está sujeito, permitindo recuperar de deformações elásticas na ordem dos 8%, bastante superiores aos materiais regularmente utilizados na construção de edifícios, juntando o facto de nos ciclos de carga e descarga o material dissipar energia. Esta propriedade é extremamente atractiva para o controlo de vibrações sísmicas nos edifícios. Esta dissertação tem como objectivo o estudo da utilização de ligas com memória de forma (Shape memory alloys) no controlo de vibrações em estruturas inteligentes de engenharia civil através de modulações matemáticas e computacionais que permitem simular o comportamento do material. Foram estudados 2 modelos constitutivos para o comportamento das ligas com memória de forma:Tanaka e Auricchio. Estes modelos foram analisados recorrendo ao programa Matlab onde foram efectuados simulações num oscilador de um grau de liberdade que provaram que ambos são realistas. Os modelos apresentam como principal diferença a gestão da mudança de fases. O modelo de Auricchio relaciona na suas equações constitutivas a tensão, a deformação e a fracção de fase martensitica, enquanto que o modelo de Tanaka junta o factor temperatura, tornando este último modelo mais completo e realista. Como conclusão verificou-se que no intervalo de frequências 0.01Hz e 4Hz a dissipação se manteve constante. No último capítulo com o recurso ao programa Ansys e com base no modelo constitutivo de Auricchio foi analisada uma estrutura em pórtico onde foi avaliado o comportamento desta a uma acção sísmica. Como conclusões verificou-se que apesar de a estrutura com recurso a tirantes SMA apresentar valores de deslocamento máximo superiores à estrutura com tirantes de aço, o amortecimento efectuava-se de forma mais célere.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior The prevision of soil mechanical behavior demands the use of constitutive models which represent more appropriately its stress-strain relationship. Some models may include parameters difficult to obtain in laboratory and their determination, when involving engineering judgment, is better accomplished by experienced users of a particular model. Alternatively, the parameters can be obtained using inverse analysis. The mathematical procedure consists basically in the formulation of an objective function, that determines the difference between measured laboratory values and those calculated by the model and the selection of an optimization strategy that makes possible the search for the minimum of the objective function. In order to verify the best strategy, some mathematical programming methods (Newton-modified, Gauss-Newton, Levemberg-Marquart, L-BFGS-B) and a genetic algorithm were used in the calibration of the hyperbolic and Lade-Kim models, for a group of triaxial tests in sand samples. A group of cubic triaxial tests in saturated samples of residual gneissic soil was used in the calibration of Lade-Kim model to verify the best way to consider the data in the objective function, considering factors based on the standard deviation, in the covariance and in a maximum scalar factor. Other sets of cubic triaxial and hydrostatic tests, in saturated and non saturated samples of residual gneissic soil, were used to study the use of the inverse analysis in different groups of laboratory results. Tests with unconventional paths of tensions were simulated in order to verify certain parameters of the potential for inverse analysis. Comparisons between numerical and experimental results verify the best identification strategy, indicate the best form of weighting matrix of the objective function and show the capacity and advantages of the inverse analysis in the determination of soil deformability parameters. A previsão do comportamento mecânico de maciços de solos requer a utilização de modelos constitutivos que representem mais adequadamente sua relação tensão-deformação. Alguns modelos podem incluir parâmetros de difícil obtenção em laboratório e sua determinação, ao envolver julgamentos de engenharia, é mais bem consumada por usuários experientes de um modelo particular. Alternativamente, os parâmetros podem ser obtidos utilizando a análise inversa. O procedimento matemático consiste, basicamente, na formulação de uma função objetivo, que mede a diferença entre os valores medidos no laboratório e aqueles calculados pelo modelo, e a seleção de uma estratégia de otimização que possibilite a procura do mínimo da função objetivo. A fim de verificar a melhor estratégia foram utilizados alguns métodos de programação matemática (Newton-Modificado, Gauss- Newton, Levemberg-Marquart, L-BFGS-B) e um algoritmo genético, na calibração dos modelos hiperbólico e Lade-Kim, para um conjunto de ensaios triaxiais em amostras de areias. Um conjunto de ensaios triaxiais cúbicos em amostras saturadas de um solo residual jovem de gnaisse foi usado na calibração do modelo Lade-Kim, para verificar qual a melhor maneira de ponderar os dados na função objetivo, considerando fatores de ponderação baseados no desvio padrão, na covariância e num fator escalar máximo. Outros conjuntos de ensaios triaxiais e hidrostáticos cúbicos, em amostras saturadas e não saturadas de um solo residual jovem de gnaisse foram usados para estudar o emprego da análise inversa em diferentes conjuntos de resultados de laboratório. Ensaios com trajetórias de tensões não convencionais foram simulados com o objetivo de verificar a potencialidade dos parâmetros determinados pela análise inversa. Comparações entre resultados numéricos e experimentais verificam a melhor estratégia de identificação, indicam a melhor forma da matriz de ponderação da função objetivo e mostram a capacidade e as vantagens da análise inversa na obtenção dos parâmetros de deformabilidade dos solos.

En el trabajo se definen modelos constitutivos que permiten reproducir el proceso de fallo de estructuras de materiales compuestos en distintas escalas bajo cargas estáticas. Se define un modelo constitutivo para determinar la respuesta de estructuras de materiales compuestos mediante la teoría de laminados. El modelo es validado mediante un programa de ensayos experimentales con probetas con un agujero central geométricamente similares. Se muestra la capacidad del modelo de detectar el efecto tamaño.Se define un modelo constitutivo para materiales transversalmente isótropos bajo estados tridimensionales de tensión. El modelo se valida analizando numéricamente el proceso de agrietamiento de la matriz. Finalmente se desarrolla un modelo analítico para determinar el agrietamiento de la matriz y la delaminación entre las capas., In this contribution a set of constitutive models are defined to reproduce the damage processes that takes place in laminated composites until failure at different scales under static loads.A damage model is defined to determine the structural response of composite structures by means of laminated theory. The validation of this model is done by comparing the numerical results with an experimental program on open hole test specimens. The ability of the model to reproduce the size effect in laminated composite is demostrated.A damage model for a transversely isotropic material under tridimentional stress states is defined. It is numerically validated analysing the process of matrix cracking in multidirectional composites.Finally an analytical model is defined that describes the onset and evolution of matrix cracking and delamination .