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Dissertações |
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KEVIN TENORIO LOBO MARTINS DE SOUZA
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APLICAÇÃO DA TÉCNICA FVDAM EM ALVENARIAS REFORÇADAS
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Orientador : FRANCISCO PATRICK ARAUJO ALMEIDA
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MEMBROS DA BANCA :
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FRANCISCO PATRICK ARAUJO ALMEIDA
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RODRIGO RIBEIRO PACCOLA
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ROMILDO DOS SANTOS ESCARPINI FILHO
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SEVERINO PEREIRA CAVALCANTI MARQUES
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Data: 05/01/2024
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A alvenaria é uma das mais antigas técnicas construtivas da humanidade. Apesar de milênios em estudo e aperfeiçoamento, ainda há lacunas no conhecimento científico e desvantagens a se superar. Isto é em parte devido à dificuldade em se modelar e caracterizar o material, que apresenta características heterogêneas e periódicas. Uma forma de fortalecer a alvenaria quanto a alguns de seus pontos negativos é o reforço por fibras. A Matriz Cimentícia Reforçada por Fibras (Fiber-Reinforced Cementitious Matrix - FRCM) é um tipo de reforço que vem sendo bem estudado nesse contexto. Consiste no revestimento de uma ou ambas as faces de uma parede de alvenaria com uma malha de fibras embutidas em matriz cimentícia. Diversos materiais podem ser utilizados como fibras, sendo os mais comuns o aço, carbono, vidro e aramida. O uso de fibras naturais (NFRCM) apresenta potenciais vantagens no âmbito da sustentabilidade, mas ainda é pouco explorado. Entre as fibras naturais, destaca-se a fibra de sisal, que é utilizada em forma de cordas e apresenta produção abundante no Brasil. Entretanto, a NFRCM apresenta um desafio maior ainda de modelagem, já que aumenta a complexidade e o número de fases da alvenaria. A técnica Finite-Volume Direct Averaging Micromechanics (FVDAM) é uma opção promissora e ainda sem aplicação no contexto de fibras naturais. Consiste em uma técnica de homogeneização que utiliza a Teoria de Volumes Finitos (Finite-Volume Theory - FVT) para calcular as propriedades efetivas de um material heterogêneo. Assim, o objetivo deste trabalho é investigar a eficácia da FVDAM na modelagem e homogeneização de alvenaria reforçada por NFRCM, comparando os resultados com outros encontrados na literatura.
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Masonry is one of the oldest construction techniques in humanity. Despite millenia of study and improvement, there are still gaps in scientific knowledge and disadvantages to overcome. This is partially due to the difficulty in modelling and characterizing the material, that presents heterogeneous and periodic characteristics. One way to improve masonry about some of its weaknesses is fiber reinforcement. Fiber-reinforced Cementitious Matrix (FRCM) is a kind of reinforcement that has been well studied in this context. Consists of the coating of one or both faces of a masonry wall with a mesh of fibers embedded in cementitious matrix. Several materials can be used as fibers, the most common being steel, carbon, glass and aramid. The use of natural fibers (NFRCM) presents potential advantages in the scope of sustainability, but it is still little explored. Among the natural fibers, sisal fiber stands out, which is used in the form of ropes and presents abundant production in Brazil. However, FRCM presents an even greater challenge of modelling, since it increases the complexity and number of phases of masonry. The Finite-Volume Direct Averaging Micromechanics (FVDAM) technique is a promising option and still without application in the context of natural fibers. It consists of a homogenization technique that uses the Finite-Volume Theory (FVT) to calculate the effective properties of a heterogeneous material. Thus, the objective of this work is to investigate the effectiveness of FVDAM in the modelling and homogenization of masonry reinforced by NFRCM, comparing the results with other modelling techniques and physical tests.
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OTÁVIO BRUNO DE ARAÚJO RODRIGUES
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CONTRIBUIÇÃO DO ATRITO NOS ESFORÇOS AXIAIS DE COLUNAS DE PRODUÇÃO E INJEÇÃO EM POÇOS DE PETRÓLEO SUBMETIDOS A CARREGAMENTOS OPERACIONAIS
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Orientador : WILLIAM WAGNER MATOS LIRA
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MEMBROS DA BANCA :
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JOSÉ RENATO MENDES DE SOUSA
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EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
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JOAO PAULO LIMA SANTOS
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WILLIAM WAGNER MATOS LIRA
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Data: 26/01/2024
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Este trabalho propõe a modelagem numérica de colunas de produção e injeção (COP/COI) em poços de petróleo submetidos a carregamentos operacionais para determinar a contribuição do atrito nos esforços axiais. As colunas de produção e injeção sofrem diferentes combinações de esforços ao longo de sua vida útil, os quais podem estar relacionados a variações térmicas, pressões, peso próprio, flambagem e atrito. A correta previsão desses esforços e dimensionamento da coluna é essencial para garantir a segurança do poço sem a necessidade de intervenções pós-completação e para manter íntegro um dos primeiros elementos do sistema de barreira de poço. As forças de atrito, que impactam os esforços axiais, são geradas quando ocorre a flambagem da COP/COI por causa da formação de regiões de contato entre a coluna e o revestimento. Em poços direcionais, o peso e a trajetória da coluna também geram forças de atrito junto ao revestimento. Devido à variedade de carregamentos operacionais, uma solução geral para o problema de atrito por flambagem requer soluções numéricas. Na literatura, há modelos que avaliam isoladamente essas formas de atrito, enquanto outros até propõem uma análise conjunta, porém apenas para casos específicos e sem avaliar o histórico de carregamento. Nesta direção, um modelo com todos esses critérios permite uma análise mais realista do atrito. Para atingir o objetivo proposto, a metodologia adotada é dividida em cinco macroetapas: i) estudos sobre COP/COI e carregamentos operacionais; ii) estudos sobre modelos de atrito e aspectos sobre flambagem em tubulares; iii) modelagem computacional de atrito por flambagem em COP/COI de poços verticais; iv) incorporação de novos efeitos à modelagem de atrito por flambagem; v) realização de estudos de caso. Com base nos estudos de caso realizados, a inclusão do atrito através do efeito capstan resulta em um notável aumento nas forças de atrito, mesmo em poços com uma inclinação mínima. A combinação deste efeito com a ocorrência de flambagem helicoidal em cenários de produção representa a forma mais crítica do atrito, podendo impactar de maneira substancial os esforços axiais em comparação com análises sem o atrito. No caso do poço injetor horizontal investigado, a influência do atrito devido ao peso se torna relevante, e durante a avaliação da operação de shut-in, nota-se um aumento na compressão a ser suportada pela coluna. A principal contribuição deste trabalho é o aprimoramento de uma modelagem numérica para cálculo de esforços axiais considerando, além da temperatura, do peso próprio e do efeito balão, o atrito e diferentes modos de flambagem em COP/COI de poços direcionais.
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This work proposes the numerical modeling of tubing strings in oil and gas wells to quantify friction and axial forces. From a one-dimensional numerical model of buckling with friction, the other effects involved in the problem under study are incorporated and modeled for an accurate prediction of the efforts acting in tubing. During the life of a well it is important that the tubing supports this type of effort. Thus, the need for workover is avoided and one of the first elements of the well barrier system remains intact. The buckling of tubing forms contact regions between the column and the casing, as well as frictional forces that impact axial efforts. Due to the variety of loadings, a general solution to the buckling friction problem requires numerical solutions. In directional wells, the weight and trajectory of the tubing naturally generate frictional forces along the casing. In the literature, there are models that evaluate these forms of friction in isolation, while others even propose a joint analysis, but only for specific cases and without evaluating the loading history. In this direction, a model with all these criteria allows a more realistic analysis of the phenomenon. To achieve the proposed objective, the adopted methodology is divided into four macro-steps: i) study of friction models and aspects of column buckling; ii) computational modeling of friction buckling for tubing; iii) incorporation of new effects into frictional buckling modeling; iv) carrying out case studies on directional wells. At the end of the work, it is expected to quantify the friction in the axial forces, as well as to compare it with the other effects in scenarios of directional wells with production and injection strings under different forms of restriction. The main contributions of this work are the adaptation of a numerical model of buckling with friction to evaluate other forms of friction, buckling criteria update for directional wells and development of a strategy for evaluating the piston effect of the string in the numerical model.
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AYSLAN DAVIDSON AGUIAR DOS SANTOS
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ELABORAÇÃO DE MODELOS PARA SEQUÊNCIA OPERACIONAL DA ESTRUTURA DE POÇOS DE PETRÓLEO OFFSHORE COM BASE EM DADOS HISTÓRICOS
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Orientador : ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
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MEMBROS DA BANCA :
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ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
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JOAO PAULO LIMA SANTOS
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ROBERTO BARBOSA DOS SANTOS
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Data: 09/02/2024
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Na exploração de petróleo offshore, a construção de um poço necessita de operações longas e complexas, o que acarreta altos custos, principalmente relativos ao aluguel de sondas. Nesse contexto, é essencial analisar a sequência de operações necessárias para a sua construção, em especial no tocante a sua estrutura, tendo em vista sua importância em toda a vida útil do poço, de forma a buscar a diminuição de erros e tempo de execução. Uma ideia promissora de análise é a de utilizar dados históricos no planejamento de novas operações offshore, objetivando trazer mais previsibilidade ao processo de avaliação e projeto de novos poços. Para tal, buscou-se elaborar modelos de sequência operacional da estrutura de poço com base em cronogramas de perfuração reais, a fim de estabelecer parâmetros de duração e anomalias, para poços de produção, injeção e especiais. As análises se deram com a utilização de um banco de dados de cronogramas de perfurações executadas por uma empresa petrolífera. Os cronogramas foram importados em planilhas eletrônicas, onde são agrupados de acordo com seu tipo de poço, e as atividades específicas de estrutura de poço são separadas das demais, com o propósito de estabelecer a sequência operacional e seus parâmetros. Os modelos elaborados podem ser usados tanto no projeto de novos poços, como na avaliação de cronograma já executados, visando a redução de erros e de tempo ocioso de equipamentos e pessoas, e, consequentemente, a redução de custos.
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In offshore oil exploration, the construction of a well requires long and complex operations, which results in high costs, mainly related to the rental of drilling rigs. it is essential to analyze the sequence of operations required for its construction, particularly concerning its structure, given its importance throughout the well's lifecycle, in order to seek a reduction in errors and execution time. A promising analytical approach is to use historical data in the planning of new offshore operations, aiming to bring more predictability to the assessment and design process of new wells. To do so, operational sequence models of the well structure were developed based on actual drilling schedules to establish parameters for duration and anomalies for production, injection, and special wells. The analyses were conducted using a database of drilling schedules carried out by an oil company. The schedules were imported into spreadsheets, where they are grouped according to well type, and specific well structure activities are separated from others to establish the operational sequence and its parameters. The developed models can be used for both the design of new wells and the evaluation of previously executed schedules, aiming to reduce errors, downtime of equipment and personnel, and, consequently, cost reduction.
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ANTONIO PAULO AMANCIO FERRO
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MODELOS PREDITIVOS PARA ROP COMO SUPORTE À OTIMIZAÇÃO EM TEMPO REAL DE PARÂMETROS OPERACIONAIS NA PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO
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Orientador : ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
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MEMBROS DA BANCA :
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ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
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CHARLTON OKAMA DE SOUZA
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EDUARDO NOBRE LAGES
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Data: 21/03/2024
Ata de defesa assinada:
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A taxa de penetração (Rate of Penetration - ROP), é um parâmetro de grande interesse na otimização em tempo real da perfuração. Uma ROP maior diminui o tempo de perfuração e pode levar a reduções significativas de custo na construção do poço. Modelos preditivos para ROP são aplicados para prever a ROP resultante baseado em dados medidos durante a perfuração e viabilizam a determinação de parâmetros operacionais ótimos, como RPM, WOB e a vazão do fluido, quando aliados a técnicas de otimização. Obter modelos de ROP mais precisos é uma tarefa difícil, dado a grande quantidade de fatores interagindo de forma não linear entre si. O presente trabalho envolve o estudo de diferentes modelos de ROP. Modelos tradicionais: Bourgoyne & Young e Energia Mecânica Específica, e suas adaptações, são comparados com modelos de aprendizagem de máquina: Redes Neurais Artificiais (Artifical Neural Networks - ANN) e Florestas Aleatórias (Random Forest - RF). Dados públicos de 7 poços foram estruturados em um dataset com dados relevantes para avaliação da performance de diferentes modelos na estimativa da ROP, como parâmetros operacionais, dados de brocas, litologia, perfis geofísicos, gradiente de poro pressão e resistência não confinada. Nas análises comparativas, métricas de erro, como o erro médio absoluto (Mean Absolute Error - MAE) e a raiz do erro médio quadrático (Root Mean Square Root - RMSE), são comparadas entre os diferentes modelos considerando cada um dos 7 poços. É feito análise de significância estatística com modelo de Bourgoyne & Young, para compreender efeitos mais significativos na ROP. A interpretabilidade dos modelos tradicionais em conjunto com o refino de hiperparametros são abordagens adotadas para empregar modelos de aprendizagem de máquina com inputs mais significativos e com maior capacidade preditiva. Em seguida, duas estratégias encontradas na literatura para utilização de modelos preditivos para ROP, aplicados na otimização em tempo real, são comparadas: modelos treinados com dados de poços de correlação, ou com os dados do próprio poço, simulando processo de aquisição gradual dos dados (aprendizagem contínua). Os resultados obtidos neste trabalho, indicam melhor performance de modelos de aprendizagem de máquina em relação aos modelos tradicionais. O modelo RF apresenta melhor performance geral nas análises comparativas, apresentando erros menores e menor custo computacional. Foi possível identificar a relevância do torque e da inclusão de dados da formação (Delta-T compressional) nos modelos de aprendizagem de máquina. Identifica-se que a estratégia de aprendizagem contínua é capaz de alcançar menores erros, ainda que se verifica que ambas estratégias são capazes de gerar predições adequadas.
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The Rate of Penetration (ROP) is a parameter of great interest in real-time drilling optimization. A higher ROP reduces drilling time and can lead to significant cost reductions in well construction. Predictive models for ROP are applied to predict ROP based on measured data while drilling, enabling the determination of optimal operational parameters such as RPM, WOB, and fluid flow when combined with optimization techniques. Obtaining more accurate ROP models is a challenging task due to the large number of factors interacting nonlinearly. This study involves the examination of different ROP models, including traditional ones, like Bourgoyne & Young and Specific Mechanical Energy, and their adaptations, compared with machine learning models such as Artificial Neural Networks (ANN) and Random Forests (RF). Public data from 7 wells were structured into a dataset with relevant information for evaluating the performance of different models in estimating ROP, including operational parameters, drill-bit data, lithology, geophysical logging data, pore pressure gradient, and unconfined compressive strength. In comparative analyses, error metrics such as Mean Absolute Error (MAE) and Root Mean Square Error (RMSE) are compared among the different models for each of the 7 wells. Statistical significance analysis is performed with the Bourgoyne & Young model to understand more significant effects on ROP. The interpretability of traditional models, along with hyperparameter tuning, is adopted to employ machine learning models with more meaningful inputs and greater predictive capacity. Next, two strategies found in the literature for using predictive models for ROP in real-time optimization are compared: models trained with offset well data or with the well’s own data, simulating a gradual data acquisition process (continuous learning). The results indicate better performance of machine learning models compared to traditional models. The RF model shows overall better performance in comparative analyses, with smaller errors and lower computational cost. The relevance of torque and the inclusion of formation data (Delta-T compressional) in machine learning models is identified. Also, continuous learning strategy can achieve lower errors, although both strategies are capable of generating appropriate predictions.
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HUGO AGUIAR VITORIO MENDONÇA
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Análise comparativa de métodos de identificação de dano em vigas de aço.
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Orientador : WAYNE SANTOS DE ASSIS
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MEMBROS DA BANCA :
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FLAVIO BARBOZA DE LIMA
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HIGOR SÉRGIO DANTAS DE ARGÔLO
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WAYNE SANTOS DE ASSIS
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Data: 25/03/2024
Ata de defesa assinada:
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O presente trabalho realizou uma análise comparativa entre métodos de identificação de dano baseados na análise modal, de modo a auxiliar no processo de Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM) em vigas de aço. Para isso, foram usados modelos de vigas de aço gerados em software comercial de elementos finitos Abaqus, modelados com diferenças em parâmetros como nível de dano, localização do dano e tipo de suporte. Após obtenção dos resultados de deslocamento da deformada modal são adicionados mais dois parâmetros: nível de ruído e o uso ou não de um método de filtragem de ruídos para suavizar os resultados. Como são quatro os métodos de identificação de dano comparados: Diferença da Curvatura Modal (DCM), Diferença da Curvatura Modal Modificada (DCMM), Indicador Baseado em Dados dos Modos de Vibração (MSDBI) e Indicador Baseado em Dados dos Modos de Vibração Modificado (MSDBIM), foi realizado um Planejamento de Experimentos (do inglês Design of Experiments – DOE) para comparar e verificar a eficácia de cada método em identificar e possivelmente localizar os danos, além de observar a capacidade de distinção entre diferentes níveis de dano para cada combinação por meio de análise estatística que se estendeu para definir a influência dos parâmetros na resposta de cada um dos métodos de identificação de dano. Os resultados obtidos mostraram que os métodos estudados são muito eficientes em condições de operação sem ruídos, porém a presença de ruídos dificulta a correta identificação de dano, mesmo com a utilização da filtragem de ruídos para suavizar os dados modais. Os métodos modificados localizaram melhor o dano em relação aos originais, e os métodos DCM e DCMM localizaram melhor o dano em relação aos métodos MSDBI e MSDBIM.
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This research aimed to perform a comparative analysis between damage identification methods based on modal analysis, to cooperate with the Structural Health Monitoring (SHM) process in steel beams. To achieve that, steel beam models were be generated via commercial finite elements software Abaqus with differences in parameters such as damage level, damage location and boundary conditions. After obtaining results for mode shape displacement, two more parameters are added: noise level and the use or not of a curve fit to smooth data. As there are four methods of damage identification compared: DCM, DCMM, MSDBI and MSDBIM, it was issued a full factorial Design of Experiments (DOE) to analyze and to check the effectiveness of each method in detecting and possibly localizing damage, in addition to observe the ability to distinguish different levels of damage to each model through statistical analysis that was extended to study the influence of factors in the problem response of each damage identification methods. The results obtained show that the methods have high effectiveness to locate damage in noiseless conditions, however the presence of noise decreases the correct identification of damage, even with regression fit to smooth modal data. The modified methods performed better when compared to the originals, and the methods DCM and DCMM located the damage more easily than MSDBI and MSDBIM.
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THAUANY ALVES PASTOR
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Análise da viabilidade do uso de resíduos de construção e demolição para a geração de blocos reciclados.
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Orientador : WAYNE SANTOS DE ASSIS
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MEMBROS DA BANCA :
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WAYNE SANTOS DE ASSIS
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PAULO CESAR CORREIA GOMES
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MANOEL MARTINS DOS SANTOS FILHO
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Data: 22/04/2024
Ata de defesa assinada:
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O Nordeste é a terceira região de maior geração de resíduos de construção e demolição no país, de acordo com a ABRELPE (2021). Com o aumento da urbanização, há uma tendência de crescimento na geração de resíduos, o que levou a Organização das Nações Unidas a destacar os resíduos sólidos como um dos principais problemas atuais. Portanto, encontrar uma destinação adequada para esses resíduos fortalece a sustentabilidade ambiental e o desenvolvimento de cidades sustentáveis. Nesse contexto, surge uma oportunidade sustentável de destinação para os RCD’s, como a produção de novos materiais construtivos, por exemplo, blocos reciclados. Esta pesquisa avalia a viabilidade técnica de utilizar agregados reciclados de demolição mistos na produção de blocos, buscando reinseri-los na cadeia da construção civil e gerar novos materiais sustentáveis. Para tanto, o estudo foi realizado utilizando os resíduos fornecidos pela empresa Braskem. Os agregados reciclados foram coletados, beneficiados, passaram por um processo de remoção de impurezas e por procedimentos de caracterização. Após essas etapas, foi adotado o planejamento experimental unifatorial, com a granulometria como fator, utilizando as seguintes combinações de agregados: 100% natural, miúdo reciclado e graúdo natural e miúdo natural e graúdo reciclado, no intuito de determinar a influência dessas combinações na resistência à compressão axial dos blocos. Para o estudo de dosagem, definiu-se a composição ótima, por meio do esqueleto granular, além de ser realizada a técnica de reometria compressiva para determinação da umidade ótima. Na etapa de produção dos blocos, foi realizado um novo estudo de dosagem, com o objetivo de determinar a umidade ótima para os blocos. Os resultados indicaram que os blocos produzidos com areia reciclada e brita natural foram os únicos que apresentaram resistência característica para blocos estruturais. Além disso, os testes estatísticos comprovaram, a um nível de significância de 5%, que os blocos com areia reciclada e brita natural apresentaram diferenças significativas em sua resistência média quando comparados aos demais conjuntos de blocos (naturais e combinação com areia natural e brita reciclada).
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The Northeast is the third largest region in Brazil in terms of construction and demolition waste generation, according to ABRELPE (2021). With increasing urbanization, there is a growing trend in waste generation, which has led the United Nations to highlight solid waste as one of the main current problems. Therefore, finding an appropriate destination for this waste strengthens environmental sustainability and the development of sustainable cities. In this context, a sustainable opportunity arises for the destination of C&D waste, such as the production of new construction materials, for example, recycled blocks. This research evaluates the technical feasibility of using mixed recycled demolition aggregates in the production of blocks, seeking to reinsert them into the construction chain and generate new sustainable materials. To this end, the study was carried out using waste provided by the company Braskem. The recycled aggregates were collected, processed, underwent an impurity removal process and characterization procedures. After these steps, a unifactorial experimental design was adopted, with granulometry as a factor, using the following aggregate combinations: 100% natural, recycled fine and natural coarse and natural fine and recycled coarse, in order to determine the influence of these combinations on the axial compressive strength of the blocks. For the dosage study, the optimum composition was defined, by means of the granular skeleton, in addition to the compressive rheometry technique being performed to determine the optimum moisture content. In the block production stage, a new dosage study was carried out, with the objective of determining the optimum moisture content for the blocks. The results indicated that the blocks produced with recycled sand and natural crushed stone were the only ones that presented characteristic strength for structural blocks. In addition, statistical tests proved, at a significance level of 5%, that blocks with recycled sand and natural crushed stone presented significant differences in their average strength when compared to the other sets of blocks (natural and combination with natural sand and recycled crushed stone).
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JONATHAN HENRIQUE CORDEIRO NUNES
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Estudo comparativo de modelos de cisalhamento para elementos de concreto armado com seções circulares cheias e vazadas
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Orientador : SEVERINO PEREIRA CAVALCANTI MARQUES
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MEMBROS DA BANCA :
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ROMEL DIAS VANDERLEI
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DAVID LEONARDO NASCIMENTO DE FIGUEIREDO AMORIM
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SEVERINO PEREIRA CAVALCANTI MARQUES
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Data: 30/04/2024
Ata de defesa assinada:
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No projeto de estruturas de concreto armado, a análise da resistência ao cisalhamento é uma etapa essencial para assegurar a segurança e a durabilidade da estrutura. Embora a maioria das normas técnicas, como a NBR 6118 (2023), forneçam modelos para avaliação da resistência ao cisalhamento de seções transversais retangulares, diretrizes específicas para casos de seções transversais circulares, amplamente utilizadas em aplicações da engenharia, geralmente não são prescritas. Para superar essa lacuna, alguns códigos e normas internacionais utilizam métodos simplificados baseados nos desenvolvidos para seções transversais retangulares, introduzindo parâmetros de adequação para definir dimensões fictícias, como a altura útil 𝑑 e a largura 𝑏𝑤. Diferentes aproximações teóricas e trabalhos experimentais estão disponíveis na literatura com o objetivo de avaliar as contribuições individuais do concreto e das armaduras transversais para a resistência ao cisalhamento de elementos com seções transversais circulares. No entanto, não existe um consenso sobre o melhor modelo para avaliar tais contribuições. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo analisar o desempenho de modelos existentes para prever a resistência ao cisalhamento de elementos de concreto armado com seções transversais circulares cheias e vazadas, solicitados por flexão simples e flexocompressão. Além disso, o desempenho de estribos circulares e helicoidais para tais seções transversais também foi avaliado. Para isso, foi realizada uma revisão bibliográfica dos modelos de predição existentes, seguida da construção de uma extensa base de dados com 291 espécimes provenientes de ensaios disponíveis na literatura, para realização de uma análise comparativa entre os valores teóricos e experimentais. Planilhas eletrônicas foram utilizadas para automatizar os cálculos dos modelos selecionados. Uma análise estatística descritiva foi conduzida, abrangendo medidas de tendência central, variabilidade e métricas de erro. Representações gráficas, como diagramas de caixa e gráficos de radar, foram empregadas para visualização dos resultados. Testes de normalidade e hipóteses foram aplicados para avaliar a significância estatística e a adequação dos modelos aos dados experimentais. Com base nas análises estatísticas, notou-se que, de maneira geral, os resultados teóricos exibiram uma discrepância razoável em relação aos correspondentes valores experimentais, embora as previsões de alguns modelos tenham mostrado boa aderência em relação aos resultados experimentais. Apesar da maioria dos modelos terem produzidos resultados conservadores, alguns deles forneceram valores de resistência ao cisalhamento inseguros. Em suma, há necessidade de realizar mais estudos de cunho teórico e experimental visando uma representação mais precisa do comportamento da resistência ao cisalhamento de seções circulares de concreto armado, melhorando as diretrizes de projeto para esses elementos estruturais e contribuindo para discussões científicas e práticas nesta área específica de conhecimento.
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In the design of reinforced concrete structures, the analysis of shear strength is an essential step to ensure the safety and durability of the structure. Although most of the technical standards, such as NBR 6118 (2023), provide models for evaluation of the shear strength of rectangular cross-sections, specific guidelines for the cases of circular cross-sections, widely used in engineering applications, in general, are not reported. To overcome this gap, some international codes and standards use simplified methods based on those developed for rectangular cross-sections, introducing adequacy parameters to define fictitious dimensions, such as, effective depth h and the width bw. Different theoretical approaches and experimental works are available in the literature aiming to evaluate the individual contributions of concrete and transversal reinforcements to the shear strength of elements with circular cross-sections. However, a consensual conclusion on the best model for evaluating such contributions does not exist yet. In this context, the present work aimed to analyze the performance of existing models for predicting the shear strength of reinforced concrete elements with solid and hollow circular cross-sections, subjected to simple bending and flexo-compression. Additionally, the performance of both circular and spiral stirrups for such cross-sections was also assessed. For this end, a bibliographical review of existing prediction models was carried out, followed by the construction of a large database from 291 tested specimens available in the literature, for comparative analysis between theoretical and experimental values. Electronic spreadsheets were used to automate the calculations of the selected models. A descriptive statistical analysis was conducted, covering measures of central tendency, variability, and error metrics. Graphic representations, such as box plots and radar charts, were employed for result visualization. Normality and hypothesis tests were applied to evaluate the statistical significance and adequacy of the models to the experimental data. Based on the statistical analyses, it is observed that, in general, the theoretical results presented non-negligible discrepancies in relation to the experimental data, although the predictions of some models showed good adherence in relation to the experimental results. Also, it is worth noting that, even though most of the models exhibited conservative results, some of them provided unsafe shear strength values. In summary, there is a need to carry out more theoretical and experimental studies aiming at a more accurate representation of the shear strength behavior of circular reinforced concrete sections, improving the design guidelines for those structural elements and contributing to scientific and practical discussions in the corresponding field of knowledge.
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NORA NEI JESICA OLIVEIRA SANTANA
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OTIMIZAÇÃO TOPOLÓGICA COM FILTRO DE ESTRUTURA DE SUPORTE PARA MANUFATURA ADITIVA
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Orientador : ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
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MEMBROS DA BANCA :
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ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
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ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
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EDUARDO NOBRE LAGES
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IVVY PEDROSA CAVALCANTE PESSOA QUINTELLA
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Data: 06/06/2024
Ata de defesa assinada:
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A otimização topológica destaca-se como uma técnica importante para análise e concepção de projetos, buscando maximizar o desempenho estrutural por meio da distribuição eficiente de material, considerando às condições de contorno e restrições do problema. Entretanto, a fabricação dessas estruturas por meio dos métodos tradicionais nem sempre são viáveis, devido à configuração complexa e não convencional da geometria. Deste modo, a manufatura aditiva (MA) surge como uma solução inovadora, permitindo a produção de objetos camada a camada, sem a necessidade de moldes. Contudo, ângulos de projeção superiores a 45º na geometria podem exigir material de suporte para evitar falhas e deformações durante a impressão, aumentando custos de material e tempo de fabricação. Com isso, este estudo tem como objetivo avaliar a utilização da otimização topológica em conjunto com o filtro de estrutura de suporte para manufatura aditiva, destacando os potenciais benefícios em termos de economia de material e tempo de produção. Nesse sentido, o AMfilter, desenvolvido por Langelaar (2016), é utilizado juntamente com o código educacional de 88 linhas elaborado por Andreassen et al. (2010), cujo desempenho é verificado por meio de simulações de impressão dos modelos otimizados. O AMfilter busca eliminar a necessidade de estrutura de suporte com base na restrição geométrica, removendo as superfícies salientes que excedem o ângulo máximo permitido, tornando a geometria descrita diretamente imprimível sem estruturas de suporte. Os resultados indicam algumas limitações do AMfilter, como a dependência de malha e o aumento gradual de densidade intermediária na direção de impressão. Além disso, as soluções provenientes da otimização topológica em conjunto com o AMfilter não eliminaram completamente as estruturas de suporte. Apesar das modificações das topologias em relação ao modelo de referência, estas não foram suficientes para alcançar o resultado esperado. Entretanto é observado uma redução no tempo estimando para a impressão de suporte e consequentemente no consumo de material em comparação com modelo de referência. Essa redução foi menos significativa nas simulações com ângulo de 45º para a geração de suporte, mas nas simulações com ângulos superiores de 53º e 60º, atingiu uma média de redução de 25,06% e 37,02%, respectivamente, entre os exemplos discutidos.
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Topology optimization stands out as an important technique for analysis and design of projects, seeking to maximize structural performance through efficient material distribution, considering boundary conditions and problem constraints. However, manufacturing these structures through traditional methods are not always feasible, due to the complex and unconventional configuration of the geometry. Thus, additive manufacturing (AM) emerges as an innovative solution, allowing the production of objects layer by layer, without the need for molds. However, projection angles greater than 45º in the geometry may require support material to avoid failures and deformations during printing, increasing material costs and manufacturing time. Therefore, this study aims to evaluate the use of topological optimization in conjunction with the support structure filter for additive manufacturing, highlighting the potential benefits in terms of material and production time savings. In this sense, the AMfilter, developed by Langelaar (2016), is used together with the 88-line educational code developed by Andreassen et al. (2010), whose performance is verified through simulations of printing the optimized models. The AMfilter seeks to eliminate the need for support structure based on geometric restriction, removing protruding surfaces that exceed the maximum allowed angle, making the geometry directly printable without support structures. The results indicate some limitations of the AMfilter, such as mesh dependence and gradual increase in intermediate density in the printing direction. In addition, the solutions resulting from topological optimization together with the AMfilter did not completely eliminate the support structures. Despite the modifications of the topologies in relation to the reference model, these were not sufficient to achieve the expected result. However, a reduction in the estimated time for support printing and consequently in material consumption is observed compared to the reference model. This reduction was less significant in simulations with a 45º angle for support generation, but in simulations with higher angles of 53º and 60º, it reached an average reduction of 25.06% and 37.02%, respectively, among the examples discussed
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SALVATORE VERDE
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NON-SORTED GENETIC ALGORITHM OPTIMIZATION OF COST-EFFICIENT SYNTHETIC MOORING SYSTEMS UTILIZING POLYMER SPRINGS FOR 15 MW FLOATING WIND TURBINES IN RELATIVELY SHALLOW WATERS
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Orientador : EDUARDO NOBRE LAGES
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MEMBROS DA BANCA :
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ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
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EDUARDO NOBRE LAGES
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FÁBIO MARTINS GONÇALVES FERREIRA
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GUILHERME ROSA FRANZINI
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THIAGO PONTIN TANCREDI
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Data: 26/03/2024
Ata de defesa assinada:
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The imperative transition to renewable energy sources, driven by the need to address energy security and climate change challenges, underscores the pivotal role of offshore wind energy. This study delves into the multifaceted aspects of wind energy, examining both the potential in shallow water installations and the ongoing paradigm shift towards larger turbine sizes. In the exploration of shallow water regions, economically viable locations for wind farms emerge between 50 and 70 meters in depth, employing shared anchor concepts and mooring line systems. The selection of an optimal system type is critical, and past research highlights the efficiency of synthetic fiber ropes over traditional chain catenary configurations. This paper presents dynamic analyses applied to a 15 MW turbine and the VolturnUS-S reference platform in the Celtic Sea. A comprehensive comparative assessment of planar displacements, rotations, and loads on a shared anchor is conducted using nylon and polyester ropes. Results show a notable 44% reduction in peak resolved anchor load with nylon compared to polyester, albeit with larger displacements and rotations, suggesting potential improvements in mooring design. With nylon being 10% more cost-effective than polyester and ongoing investigations into efficient anchor concepts, this study encourages further exploration of nylon applications in shallow-water wind farms. Simultaneously, the wind energy sector grapples with the challenge of escalating turbine sizes to reduce the levelized cost of energy. This necessitates smaller platform and mooring systems, especially in the context of shallow-water installations. Building upon prior research, which employed a multi-objective optimization (MO) framework for designing platforms and mooring systems with synthetic lines, this study extends the existing framework by incorporating computational efficiency strategies. The utilization of a static methodology and a running metric as a termination criteria for the MO contributes to computational efficiency. Additionally, the study explores the optimization of an alternative mooring system using spring polymer, revealing the potential for a substantial reduction in mooring system costs for smaller radii. This holistic approach addresses the dual challenge of enhancing turbine efficiency in larger sizes while adapting to the constraints posed by shallow-water installations. The fusion of insights from both aspects contributes to a more comprehensive understanding of the evolving landscape of offshore wind energy.
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The imperative transition to renewable energy sources, driven by the need to address energy security and climate change challenges, underscores the pivotal role of offshore wind energy. This study delves into the multifaceted aspects of wind energy, examining both the potential in shallow water installations and the ongoing paradigm shift towards larger turbine sizes. In the exploration of shallow water regions, economically viable locations for wind farms emerge between 50 and 70 meters in depth, employing shared anchor concepts and mooring line systems. The selection of an optimal system type is critical, and past research highlights the efficiency of synthetic fiber ropes over traditional chain catenary configurations. This paper presents dynamic analyses applied to a 15 MW turbine and the VolturnUS-S reference platform in the Celtic Sea. A comprehensive comparative assessment of planar displacements, rotations, and loads on a shared anchor is conducted using nylon and polyester ropes. Results show a notable 44% reduction in peak resolved anchor load with nylon compared to polyester, albeit with larger displacements and rotations, suggesting potential improvements in mooring design. With nylon being 10% more cost-effective than polyester and ongoing investigations into efficient anchor concepts, this study encourages further exploration of nylon applications in shallow-water wind farms. Simultaneously, the wind energy sector grapples with the challenge of escalating turbine sizes to reduce the levelized cost of energy. This necessitates smaller platform and mooring systems, especially in the context of shallow-water installations. Building upon prior research, which employed a multi-objective optimization (MO) framework for designing platforms and mooring systems with synthetic lines, this study extends the existing framework by incorporating computational efficiency strategies. The utilization of a static methodology and a running metric as a termination criteria for the MO contributes to computational efficiency. Additionally, the study explores the optimization of an alternative mooring system using spring polymer, revealing the potential for a substantial reduction in mooring system costs for smaller radii. This holistic approach addresses the dual challenge of enhancing turbine efficiency in larger sizes while adapting to the constraints posed by shallow-water installations. The fusion of insights from both aspects contributes to a more comprehensive understanding of the evolving landscape of offshore wind energy.
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MATHEUS BARBOSA MOREIRA CEDRIM
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FUNDAMENTOS PARA O PROJETO DE VIGAS DE CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO COM SUPORTE DE TÉCNICAS DE OTIMIZAÇÃO TOPOLÓGICA
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Orientador : ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
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MEMBROS DA BANCA :
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ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
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DANIEL DE LIMA ARAÚJO
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DAVID LEONARDO NASCIMENTO DE FIGUEIREDO AMORIM
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EDUARDO NOBRE LAGES
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JESIEL CUNHA
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VALÉRIO DA SILVA ALMEIDA
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Data: 14/08/2024
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Nos últimos anos, os elementos estruturais de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) tiveram sua utilização impulsionada em razão do desenvolvimento técnico e de pesquisas que possibilitaram a compreensão do comportamento mecânico deste material. Com o objetivo de melhorar a ductilidade e tenacidade do concreto, as fibras de aço incorporadas de maneira randômica à mistura são uma alternativa para reforçar o concreto em um estágio pós-fissuração.
No entanto, apesar de diversos avanços nas aplicações, ainda há um campo de pesquisa aberto sobre o emprego de técnica de otimização estrutural para este material. Em termos de modelos constitutivos, o CRFA é considerado um material heterogêneo. Com a teoria de homogeneização, baseada na micromecânica dos campos médios, pode-se definir as propriedades elásticas efetivas para o material homogeneizado, de posse das propriedades dos constituintes e da dosagem da mistura. Buscando-se a previsão do comportamento pós-fissuração, pode-se adotar um critério de resistência para a caracterização do compósito. Nesse contexto, o modelo de Drucker-Prager é utilizado como um critério de análise limite na interface da matriz-fibra, possibilitando a avaliação dos parâmetros de resistência do material homogeneizado. Neste trabalho, contribui-se para os fundamentos de projeto de estruturas assistido por técnicas de otimização topológica, por meio da análise numérica em elementos finitos no software ABAQUS®, com a utilização de modelos de homogeneização em associação com o método SIMP. Nos exemplos apresentados, valida-se a otimização topológica para materiais elastoplásticos, especificamente para a análise de vigas. Observa-se nos resultados a influência dos parâmetros do procedimento de otimização, a dosagem da mistura e os requisitos de projeto de acordo com as referências normativas. Com o objetivo de fundamentar uma metodologia de análise que proporcione a utilização de elementos mais leves e resistentes, sem as tradicionais barras de aço incorporadas ao concreto, verifica-se no estudo de caso que, para os concretos convencionais, as armaduras são necessárias para a garantia de uma ruptura dúctil.
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RAFAEL NUNES DA CUNHA
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Mecânica do dano concentrado para análise de placas, lajes e cascas delgadas
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Orientador : DAVID LEONARDO NASCIMENTO DE FIGUEIREDO AMORIM
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MEMBROS DA BANCA :
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DAVID LEONARDO NASCIMENTO DE FIGUEIREDO AMORIM
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ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
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SERGIO GUSTAVO FERREIRA CORDEIRO
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RUBIA MARA BOSSE
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RODRIGO BARROS
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Data: 16/12/2024
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A busca por uma melhor compreensão e descrição das estruturas é de fundamental importância no campo da engenharia estrutural. Para uma perfeita descrição é necessário que os modelos considerem o comportamento não linear físico dos materiais. As principais teorias que permitem levar em consideração os efeitos não lineares são a teoria da plasticidade, a mecânica da fratura, a mecânica do dano e modelos de campo de fase. Estas teorias apresentaram grandes contribuições para a engenharia estrutural, no entanto também caem em limitações das soluções não lineares, como a descrição do comportamento não linear nos pós pico ou por apresentar infinitas soluções, ao ser analisado o problema da localização de deformações. A mecânica do dano concentrado (MDC), que foi inicialmente proposta para elementos de pórtico e posteriormente foi formulada para meios bidimensionais (elementos finitos de chapa), tem se mostrado capaz de desenvolver análises não lineares, evitando o problema de localização de deformações, sem a necessidade de qualquer técnica de regularização. Portanto, o presente trabalho tem como objetivo contribuir com o desenvolvimento das análises através da MDC, com a proposta de novos modelos para a análise de placas, lajes e cascas delgadas. Para este fim, o presente trabalho selecionou o elemento finito Discrete Kirchhoff Triangle (DKT) para a análise de placas e o Constant Moment Triangle (CMT), para análise de placas, lajes e cascas, para este último, também foi empregado o elemento Constant Strain Triangle (CST). Todos os elementos foram reformulados, de modo a alterar as suas variáveis cinemáticas e permitir a inclusão das considerações da MDC. Para os elementos de placa, foi admitida uma lei de evolução do dano não linear, com amolecimento com comportamento exponencial. O presente trabalho desenvolveu uma campanha experimental para moldagem de placas de concreto reforçado com fibras de aço. Desta forma, os elementos de placa foram aplicados a diferentes ensaios experimentais da literatura e a ensaios desenvolvidos neste trabalho, apresentando respostas satisfatórias, em termos de Força vs. Deslocamento, distribuição de fissuração e abertura de fissuras. Com base no elemento de placa baseado no CMT, este trabalho apresenta a proposta de um novo modelo para avaliar placas de concreto armado (lajes). Dentro deste modelo, as variáveis inelásticas são definidas como o dano e rotações plásticas, as quais podem ser relacionadas com a resposta do concreto armado (fissuração e escoamento da armadura). Com base nisto, diferentes leis de evolução do dano e de rotações plásticas são propostas neste trabalho. O modelo foi aplicado para uma série de ensaios da literatura, cujos resultados apresentaram alta acurácia em comparação aos experimentais, em termos de Força vs. Deslocamento e iniciação e propagação de redes complexas de fissuras. Finalmente, um modelo de casca plano, para aplicação em cascas de concreto armado, é proposto neste trabalho. Os efeitos axiais são descritos pelo elemento finito CST, admitido com resposta elástica linear, e os efeitos de flexão, com o elemento de lajes proposto. O modelo é aplicado a diferentes exemplos experimentais da literatura, obtendo respostas com boa precisão, mostrando-se adequado para prever as respostas de Força vs. Deslocamento e fissuração, em comparação a um modelo de arco e com os próprios resultados experimentais.
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The pursuit of better understanding and description of structures is of fundamental importance in the field of structural engineering. For an accurate description, it is necessary for models to consider the physical nonlinear behaviour of materials. The main theories that account for nonlinear effects are plasticity theory, fracture mechanics, damage mechanics, and phase field models. These theories have significantly contributed to structural engineering; however, they also face limitations associated with nonlinear solutions, such as describing post-peak nonlinear behaviour or presenting infinite solutions when addressing the problem of strain localization. Lumped Damage Mechanics (LDM), initially proposed for frame elements and later formulated for two-dimensional media, has proven capable of performing nonlinear analyses while avoiding the strain localization issue without the need for any regularization techniques. Therefore, the present study aims to contribute to the development of analyses using LDM by proposing new models for the analysis of plates, slabs, and thin shells. The study selected the Discrete Kirchhoff Triangle (DKT) finite element for plate analysis and the Constant Moment Triangle (CMT) for the analysis of plates, slabs, and shells. For the latter, the Constant Strain Triangle (CST) element was also employed. All elements were reformulated to modify their kinematic variables and allow the inclusion of LDM considerations. For plate elements, a nonlinear damage evolution law with exponential softening behaviour was adopted. This study also developed an experimental campaign involving the casting of fibre-reinforced concrete plates. The plate finite elements were applied to a series of experimental tests found in the literature as well as the experimental tests conducted in this study, yielding satisfactory results in terms of Force vs. Displacement, crack distribution, and crack opening displacement. Based on the plate element using the CMT, this study proposes a new model for evaluating reinforced concrete plates (slabs). In this model, the inelastic variables are defined as damage and plastic rotations, which can be related to the reinforced concrete response (cracking and reinforcement yielding). Different damage evolution and plastic rotation laws are proposed. The model was applied to a series of experimental tests from the literature, with results showing high accuracy compared to experimental data in terms of Force vs. Displacement and the initiation and propagation of complex networks of cracks. Finally, a flat shell model for application to reinforced concrete shells is proposed. Axial effects are described by the CST finite element, assumed to have an elastic-linear response, while bending effects are modelled using the proposed slab element. The model was applied to a couple experimental examples from the literature, achieving results with good accuracy, proving suitable for predicting Force vs. Displacement responses and the cracking condition, in comparison to an arch model and experimental results.
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WILL JOSÉ DE LIMA JÚNIOR
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IDENTIFICAÇÃO DE DANOS EM ELEMENTOS ESTRUTURAIS LINEARES UTILIZANDO METODOLOGIAS DE MODELO HÍBRIDO BASEADO NA FÍSICA E ORIENTADO A DADOS, MACHINE LEARNING E DIGITAL TWIN
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Orientador : WAYNE SANTOS DE ASSIS
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MEMBROS DA BANCA :
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WAYNE SANTOS DE ASSIS
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EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
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JOAO PAULO LIMA SANTOS
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ANDRE LUIZ LINS DE AQUINO
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FABIANE DA SILVA QUEIROZ
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LEANDRO MOUTA TRAUTWEIN
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Data: 18/12/2024
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Este trabalho apresenta um novo framework de monitoramento da integridade estrutural para identificação de danos em elementos estruturais lineares de aço (barras comprimidas e vigas), no contexto de sistemas dinâmicos. O framework integra um modelo híbrido baseado na física e orientado a dados (que pode resultar em um modelo generalizável, acurado, interpretável e computacionalmente eficiente) e métodos de machine learning supervisionado, para a construção de um framework digital twin. As equações governantes do movimento da estrutura íntegra, descobertas pela modelagem híbrida, são usadas para simular a resposta do sistema com dano em diferentes locais e intensidades. A partir dessas simulações, um conjunto de dados é construído para treinar os classificadores de machine learning, considerando os cenários da estrutura com dano e sem dano. O framework digital twin relaciona as entradas do physical twin a cenários de danos específicos, para avisar rapidamente se houver dano, onde está localizado e qual a sua intensidade, de forma que possa apoiar as decisões de engenharia. O framework DT foi avaliado em diferentes configurações de aplicações, demonstrando a potencial contribuição para o estabelecimento de sistemas SHM. O Support Vector Machine foi o classificador que apresentou melhor desempenho, com precisão de 93,97% para a barra engastada e 80,33% para a barra biengastada. Os danos nas barras engastada e biengastada, considerando a vibração axial, foram identificados e robustos para determinados níveis de ruído. No entanto, foi constatado que identificar dano em estruturas hiperestáticas é mais desafiador. A identificação de dano em vigas, considerando a vibração transversal, se mostrou promissora, com precisão de 84,31%, para o classificador Support Vector Machine usando recurso de deslocamento, e 99,98% para o classificador Análise Discriminante Quadrática usando recursos de deslocamento e aceleração.
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This work presents a novel structural health monitoring (SHM) framework for damage identification in linear steel structural elements (compressed bars and beams), in the context of dynamical systems. The framework integrates a hybrid physics-based and data-driven model (that can result in a generalizable, accurate, interpretable and computationally efficient model) and supervised machine learning methods, to construct a digital twin. The governing equations of motion of the healthy structure, discovered by hybrid modeling, are used to simulate the response of the system with damage at different locations and intensities. From these simulations a dataset is constructed to train the machine learning classifiers, considering the beam scenarios with damage and undamaged. The constructed digital twin relates the inputs of the physical twin to specific damage scenarios to quickly warn if there is damage, where it is located and what is its severity, supporting engineering decisions. The DT framework was evaluated in different application configurations, demonstrating the potential for significant contribution to the establishment of SHM systems. Support Vector Machine was the best performing classifier, with an precision of 93.97% for the cantilever bar and 80.33% for the fixed-end bar. The damage to the cantilever and fixed-end bars, considering axial vibration, was identified and robust for certain noise levels. However, it was observed that damage identification was more difficult in hyperstatic structures. The identification of damage in beams, considering transverse vibration, proved promising, with an accuracy of 84.31% for the Support Vector Machine classifier using the displacement feature and 99.98% for the Quadratic Discriminant Analysis classifier using the displacement and acceleration features.
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