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Since the beginning of the history of civilization, increasingly efficient ways of obtaining energy have been sought, and thanks to the advent of electronics, conventional means of energy conversion have been replaced by new renewable and clean forms. One of them, is the application of intelligent energy harvesting materials, specifically piezoelectric materials. Therefore, this work aims to design, characterize and analyze an aerogenerator composed of piezoelectric transducers based on the concept of energy harvesting numerically and experimentally, using the Finite Element Method (FEM) theory applied to ANSYS®. The suggested prototype consists of three 120° spaced cantilever beams, with piezoelectric elements glued to their surfaces, having approximate dimensions of 84.5 x 87 x 20 mm³, and excited by permanent neodymium magnets glued to their free end. After the simulations, the best performing configuration was the trapezoidal beam Model 11, with a 5 mm long piezoelectric bonded to both surfaces using piezo C-64 and a magnet-shaped mass (16 x 10 x 4 mm³) glued the free end of the beam with 4.80 g. Having a maximum power for a single piezoelectric of 0.08 mW in open circuit and 5.6 mW in closed circuit with a load of 1 MΩ. Using this configuration to perform the experiments without the rectifying bridge, a maximum power of 2.06 mW for Piezo 12 and 3.78 mW for all piezos in parallel (APP) was obtained at a frequency of 13.76 Hz and 13.71 Hz, respectively. Taking only the volume of the beams into account, the power densities for these two cases were 18.8 mW/mm³ and 11.5 mW/mm³. For the suggested application, there was an increase in system autonomy of 1h44min05s for the Ideal case and 06min04s for the Real case. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Desde o início da história da civilização tem-se buscado formas de obtenção de energia cada vez mais eficientes, e que graças ao advento da eletrônica, os meios convencionais de conversão de energia vêm sendo substituídos por novas formas renováveis e limpas. Uma delas é a aplicação de materiais inteligentes para energy harvesting, especificamente, os materiais piezoelétricos. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo a concepção, a caracterização e a análise de um aerogerador composto por transdutores piezoelétricos baseados no conceito de energy harvesting de forma numérica e experimental, utilizando a teoria do Método dos Elementos Finitos (MEF) aplicados ao ANSYS®. O protótipo sugerido é composto por três vigas monoengastadas espaçadas 120º entre si, com elementos piezoelétricos colados a suas superfícies, possuindo dimensões aproximadas de 84,5 x 87 x 20 mm³, e excitada por ímãs permanentes de neodímio colados a sua extremidade livre. Após a realização das simulações, a configuração que apresentou os melhores resultados foi o Modelo 11 de viga trapezoidal, com um piezoelétrico de 5 mm de comprimento colado em ambas as suas superfícies, utilizando o piezo C-64 e uma massa em forma de ímã (16 x 10 x 4 mm³) colada a extremidade livre da viga com 4,80 g. Apresentando uma potência máxima, para um piezoelétrico apenas, de 0,08 mW em circuito aberto e de 5,6 mW em circuito fechado, com uma carga de 1 MΩ. Utilizando essa configuração para realização dos experimentos, sem a ponte retificadora, foi obtida uma potência máxima de 2,06 mW para o Piezo 12 e de 3,78 mW para todos os piezos em paralelo (APP), a uma frequência de 13,76 Hz e 13,71 Hz, respectivamente. Levando em consideração apenas o volume das vigas, foram obtidas as densidades de potência para esses dois casos de 18,8 mW/mm³ e de 11,5 mW/mm³. Para a aplicação sugerida, houve um incremento na autonomia do sistema de 1h44min05s para o caso Ideal e de 06min04s para o caso Real.

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2021-05-27T14:03:26Z No. of bitstreams: 1 DM_JoseOliveira_2020_MEM.pdf: 17429008 bytes, checksum: c555b088b23fa78bf856bce5d2290169 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2021-05-27T14:03:45Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_JoseOliveira_2020_MEM.pdf: 17429008 bytes, checksum: c555b088b23fa78bf856bce5d2290169 (MD5) Made available in DSpace on 2021-05-27T14:03:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_JoseOliveira_2020_MEM.pdf: 17429008 bytes, checksum: c555b088b23fa78bf856bce5d2290169 (MD5) Previous issue date: 2020

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta numérica, baseada no modelo CBS (“Characteristic Based Split”) para resolução de problemas envolvendo a Engenharia do Vento Computacional. O sistema de equações fundamentais do escoamento é formado pelas equações de Navier-Stokes e pela equação de conservação de massa, considerando a hipótese de compressibilidade artificial. Para escoamentos turbulentos utiliza-se a Simulação Direta de Grandes Escalas com o modelo clássico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha (“Large Eddy Simulation” – LES). Para discretização espacial foi utilizado o Método de Elementos Finitos (MEF) com elementos triangulares e tetraédricos lineares. São analisados primeiramente alguns problemas clássicos da Dinâmica do Fluido Computacional (DFC) para verificação e avaliação do código. Posteriormente, o esquema numérico é validado em simulações da ação do vento sobre pontes e modelos topográficos de morros e taludes. Conclui-se que a ferramenta numérica proposta é capaz de obter resultados consistentes com os fenômenos envolvidos. The present work aims at the development of a numerical tool, based on the CBS (Characteristic Based Split) model for solving problems involving Computational Wind Engineering. The system of fundamental equations of the fluid flow is formed by the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, which is considered using the artificial compressibility hypothesis. For turbulent flows, Large Scale Direct Simulation (LES) is adopted, where the classic Smagorinsky’s sub-grid scale model is utilized for scales lower than the mesh resolution. For spatial discretization, the Finite Element Method (FEM) is employed with linear triangular and tetrahedral elements. Initially, some classical problems on Computational Fluid Dynamics (CFD) are analyzed for code verification and evaluation. Subsequently, the numerical scheme is validated using simulations of the wind action on bridges and topographic models of hills and slopes. It is concluded that the proposed numerical tool is able to obtain results consistent with the phenomena involved.

Neste trabalho é realizado um estudo comparativo entre diferentes métodos de determinação de força e energia no processo de forjamento de um componente com a liga AA7075, observando a eficiência dos resultados quando comparados com resultados teórico/experimentais. Neste estudo são analisados resultados obtidos através do Método da Energia Uniforme, Método das Tiras (TEP), Método Simplificado (TEP) e Método de Elementos Finitos (FEM), através do software FORGE NxT 3.0. Para a realização deste trabalho, foi levado em consideração o processo de forjamento a quente, em matriz fechada da liga AA7075 na sua condição de fabricação (F), utilizada pela indústria bélica para a obtenção de componentes. Foram expostas as sequências de cálculos e as interações realizadas para a construção de modelos matemáticos. Com a conclusão dos experimentos foi possível verificar que, para valores de energia, o Método de Elementos Finitos é o que mais se aproxima dos resultados obtidos com o Método Teórico/Experimental, apresentando valores aproximadamente 17% menores. O segundo método que mais se aproximou dos valores de energia obtidos com o Método Teórico/Experimental foi o Método da Energia Uniforme, apresentando resultados aproximadamente 17% maiores. Os outros métodos, Método das Tiras e o Método Simplificado, apresentaram valores aproximados de 23% menores e 59% menores, respectivamente. Levando em consideração os resultados de força, o Método de Elementos Finitos é o que mais se aproximou dos valores obtidos com o Método Teórico/Experimental, apresentando resultados aproximadamente 27% menores. O segundo método que mais se aproximou dos valores de força obtidos com o Método Teórico/Experimental foi o Método da Energia Uniforme, apresentando resultados aproximadamente 55% menores. Os outros métodos, Método das Tiras e Método Simplificado, apresentaram valores de aproximadamente 75% menores e 62% menores, respectivamente. Desta forma, levando em consideração a geometria estudada, é possível afirmar que no processo de forjamento a quente em matriz fechada, o Método de Elementos Finitos pode ser empregado como ferramenta de simulação mais eficiente. Já os métodos baseados na Teoria Elementar da Plasticidade apresentam aproximações mais grosseiras dos resultados, podendo ser aplicados na etapa de pré-projeto. In this work a comparative study is carried out between different methods of determination of force and energy in the forging process of a component with the AA7075 alloy, observing the efficiency of the results when compared with the theoretical / experimental results. This study analyzes the results obtained through the Uniform Energy Method, Strip Method (TEP), Simplified Method (TEP) and Finite Element Method (FEM), using the FORGE NxT 3.0 software. To carry out this work, the AA7075 alloy closed die forging process in its fabrication condition (F), used by the war industry to obtain components, was taken into consideration. The sequences of calculations and the interactions performed for the construction of mathematical models were exposed. With the conclusion of the experiments it was possible to verify that, for energy values, the Finite Element Method is the closest to the results obtained with the Theoretical / Experimental Method, presenting values approximately 17% smaller. The second method that most closely approximated the energy values obtained with the Theoretical / Experimental Method was the Uniform Energy Method, with approximately 17% higher results. The other methods, Strip Method and Simplified Method, presented approximate values of 23% smaller and 59% smaller, respectively. Considering the strength results, the Finite Element Method is the closest to the values obtained with the Theoretical / Experimental Method, with approximately 27% lower results. The second method that most closely approximated the force values obtained with the Theoretical / Experimental Method was the Uniform Energy Method, with approximately 55% lower results. The other methods, Strip Method and Simplified Method, presented values of approximately 75% smaller and 62% smaller, respectively. Thus, considering the studied geometry, it is possible to state that in the closed die hot forging process, the Finite Element Method can be used as the most efficient simulation tool. The methods based on the Elemental Theory of Plasticity, on the other hand, present coarser approximations of the results and can be applied in the pre-project stage.

This work aims to convert 2 and 3-D Finite Element Method (FEM) meshesinto a reluctance networks through an original magnetostatic formulation based on facet shape functions, which are used to interpolate the magnetic induction. This network is coupled with a standard reluctance network (RNM -Reluctance Network Method), characterizing a 0-D system that can be solved by a circuit solver approach. In this way, the FEM and RNM are coupled, taking advantage of specific potentialities of both sides, i.e. the regions of the domain where the magnetic behavior is known can be simplified using the RNM and those more complex regions can be meshed properly and solved in the same system. The results obtained are compared between them and with results obtained with the classical FEM., Ce travail vise à convertir des maillages pour la méthode des éléments finis 2D et 3D en un réseau de réluctances via une formulation magnétostatique originale basée sur des fonctions de forme de facette, utilisées pour interpoler l'induction magnétique. Ce réseau est couplé à un réseau de réluctances standard (RNM - Reluctance Network Method), caractérisant un système 0-D pouvant être résolu par une approche de résolution de circuit. De cette manière, le FEM et le RNM sont couplés, en tirant parti des potentialités spécifiques des deux côtés, c’est-à-dire que les régions du domaine où le comportement magnétique est connu peuvent être simplifiées à l’aide du RNM et que les régions plus complexes peuvent être maillées correctement et résolues dans le même système. Les résultats obtenus sont comparés entre eux et avec les résultats obtenus avec le FEM classique

O presente trabalho tem como objetivo estudar escoamentos de tornados e sua ação sobre corpos imersos empregando ferramentas numéricas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). Os tornados constituem-se atualmente em uma das causas de desastres naturais no Brasil, especialmente nas regiões sul e sudeste do país, como também em alguns países vizinhos. Os efeitos gerados são geralmente localizados e de curta duração, podendo ser devastadores dependendo da escala do tornado. Tais características dificultam a realização de estudos detalhados a partir de eventos reais, o que levou ao desenvolvimento de modelos experimentais e numéricos. A abordagem numérica é utilizada neste trabalho para a simulação de tornados, a qual se baseia nas equações de Navier-Stokes e na equação de conservação de massa, considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade e condições isotérmicas. Para escoamentos com turbulência utiliza-se a Simulação Direta de Grandes Escalas com o modelo clássico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha (Large Eddy Simulation ou LES em inglês). A discretização das equações fundamentais do escoamento se realiza com um esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, onde o Método dos Elementos Finitos é empregado na discretização espacial utilizando-se o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com um ponto de integração e controle de modos espúrios Na presença de corpos imersos que se movem para simular os deslocamentos dos tornados, o escoamento é descrito cinematicamente através de uma formulação Arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE) que inclui um esquema de movimento de malha. Tornados são reproduzidos através da simulação numérica de dispositivos experimentais e do Modelo de Vórtice Combinado de Rankine (RCVM). Exemplos clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são apresentados inicialmente para a verificação das ferramentas numéricas implementadas. Finalmente, problemas envolvendo tornados móveis e estacionários são analisados, incluindo sua ação sobre corpos imersos. Nos modelos baseados em experimentos, a variação da relação de redemoinho determinou os diferentes padrões de escoamento observados no laboratório. Nos exemplos de modelo de vórtice, quando o tornado impactou o corpo imerso gerou picos de forças em todas as direções e, após a passar pelo mesmo, produziu uma alteração significativa na estrutura do vórtice. Analyses of tornado flows and its action on immersed bodies using numerical tools of Computational Wind Engineering (CWE) are the main aims of the present work. Tornadoes are currently one of the causes of natural disasters in Brazil, occurring more frequently in the southern and southeastern regions of the country, as well as in some neighboring countries. Effects are usually localized, presenting a short time interval, which can be devastating depending on the scale of the tornado. These characteristics difficult to carry out detailed studies based on real events, leading to the development of experimental and numerical models. The numerical approach is used in this work for the simulation of tornadoes, which is based on the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, considering the hypothesis of pseudo-compressibility and isothermal conditions. For turbulent flows, Large Eddy Simulation (LES) is used with the classical Smagorinsky model for sub-grid scales Discretization is performed the explicit two-step Taylor-Galerkin scheme, where the Finite Element Method is used in spatial discretization using isoparametric trilinear hexahedral elements with one-point quadrature and hourglass control. In the presence of immersed bodies that are moving in order to simulate translating tornadoes, the flow is kinematically described through a Lagrangian-Eulerian Arbitrary (ALE) formulation, which includes a mesh motion scheme. Tornadoes are reproduced using numerical simulation of experimental devices and the Rankine Combined Vortex Model (RCVM). Classical examples of Computational Fluid Dynamics are presented initially for the verification of the numerical tools implemented here. Finally, problems involving moving and stationary tornadoes are analyzed, including their actions on immersed bodies. For models based on experiments, the variation of the swirl ratio determined the different flow patterns observed in the laboratory. In the vortex model examples, when the tornado impacted on the immersed body, peaks of forces were generated in all directions and, after passing over it, a significant change in the structure of the vortex was produced.

Submitted by Manuel Brandão (recipp@sc.ipp.pt) on 2017-12-13T17:20:49Z No. of bitstreams: 1 DM_AlbertoLeal_2016_MEM.pdf: 10011090 bytes, checksum: 33b4481ec62c1ece97cfb2ad35fa29b9 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2017-12-19T15:55:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_AlbertoLeal_2016_MEM.pdf: 10011090 bytes, checksum: 33b4481ec62c1ece97cfb2ad35fa29b9 (MD5) Made available in DSpace on 2017-12-19T15:55:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_AlbertoLeal_2016_MEM.pdf: 10011090 bytes, checksum: 33b4481ec62c1ece97cfb2ad35fa29b9 (MD5) Previous issue date: 2016

Neste trabalho foi realizado um estudo numérico em placas com perfurações elípticas centralizadas, de material isotrópico e compósito, submetidas à flexão provocada por um carregamento transversal uniformemente distribuído, considerando ainda diferentes condições de vinculação para as placas. Para isso, o método Constructal Design foi empregado, permitindo avaliar como a variação da geometria da perfuração influencia no comportamento mecânico da placa, tendo como função objetivo minimizar a deflexão. Em conjunto com o método Constructal Design foi utilizada a simulação numérica, que viabilizou a análise dos vários casos estudados. Os procedimentos de análise numérica neste trabalho foram realizados através do software ANSYS®, que é baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF). Os resultados obtidos mostraram que a variação da geometria do furo afeta diretamente o comportamento mecânico de placas perfuradas submetidas à flexão e que o método Constructal Design permite definir qual geometria conduz a um melhor desempenho. In this work was performed a numerical study in plates with centralized elliptical perforations, of isotropic and composite materials, subjected to bending caused by a transverse loading uniformly distributed, also considering different support conditions for the plates. Therefore, the Constructal Design method was employed, allowing assess how the variation of hole geometry influences the mechanical behavior of the plate, being the objective function to minimize its deflection. Together with the Constructal Design method was used the numerical simulation, making possible the analysis of various studied cases. The numerical analysis procedures in this work were performed using the software ANSYS®, which is based on the Finite Element Method (FEM). The results showed that the variation of the geometry of the hole affects directly the mechanical behavior of perforated plates subjected to bending and that the Constructal Design method allows the definition of which geometry results in better performance.

Placas são elementos amplamente empregados na engenharia estrutural. Em muitas situações é necessária a existência de perfurações nestas placas. Sabe-se ainda que elementos estruturais esbeltos submetidos a cargas de compressão axial podem falhar de maneira súbita, com uma tensão inferior à tensão de escoamento do material, devido a um fenômeno de instabilidade conhecido como flambagem. Nesse artigo, a Teoria Constructal será utilizada para otimizar geometricamente placas finas perfuradas, submetidas a compressão uniaxial, tendo como objetivo obter a dimensão ótima do furo que maximize a carga crítica de flambagem. Para isso diversas simulações numéricas foram realizadas, utilizando um modelo computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF). Observou-se que para todos os valores de Ø (relação entre o volume do furo e o volume da placa) analisados, a placa que apresenta melhor desempenho sob compressão uniaxial é a que possui a maior relação H/L (relação entre a altura e o comprimento da placa). No que diz respeito à análise individual de cada placa, a que obteve o maior acréscimo percentual no valor de carga crítica de flambagem em relação a uma placa sem furo foi a placa 1 (H/L = 1.00), chegando a 198.98%. A placa que apresentou o menor acréscimo percentual foi a placa 4 (H/L = 0.25), com 7.72%. Ao realizar uma comparação global entre as placas, a que obteve o melhor desempenho foi a placa 1 (H/L = 1.00), apresentando uma carga crítica máxima de flambagem 176.85% maior que a carga crítica máxima na placa de pior desempenho, placa 4 (H/L = 0.25). Plates are elements widely employed in the structural engineering. In several situations it is necessary the existence of perforations in these plates. Besides, it is well known that slender structural elements when subjected to compression loads can fail in a sudden way, with a stress lower than the material yield stress, due an instability phenomenon known as buckling. In this article, the Constructal Theory will be used to geometrically optimize thin perforated plates, subjected to uniaxial compression, aiming to obtain the optimum hole size that maximizes the buckling critical load. To do so, several numerical simulations were carried out using a computational model based on the Finite Element Method (FEM). It was observed that for all analyzed values of Ø (ratio between the hole volume and the plate volume), the plate that present best performance under uniaxial compression is the one that has the highest ratio H/L (ratio between the height and plate length). With regard to the independent analysis of each plate, which had the highest percentage increase in the value of critical buckling load against a plate without perforation was the plate 1 (H/L = 1.00), reaching 198.98%. The plate with the lowest percentage increase was the plate 4 (H/L = 0.25), with 7.72%. By performing a global comparison between the plates, which had the best performance was the plate 1 (H/L = 1.00), with a maximum critical buckling load 176.85% higher than the maximum critical load of the plate worst performance, plate 4 (H/L = 0.25).

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil (área de especialização em Perfil de Estruturas), As estruturas mistas têm sido bastante utilizadas na Engenharia Civil, no contexto mundial. O comportamento misto entre uma viga metálica e uma laje de betão é conseguido mediante a utilização de conectores metálicos. A principal função dos conectores é a de transmitir as forças longitudinais de corte que se geram entre as secções de betão e de aço, quando a viga é submetida a flexão e também forças transversais ao plano da laje que podem causar a separação vertical entre a laje de betão e o perfil metálico (efeito de uplift). A presente dissertação procura abordar de uma forma explicita a modelação numérica da conexão entre o perfil metálico e a laje de betão, quando se utilizam conectores do tipo perno e betão leve. Utilizam-se elementos finitos de volume para definir todos os elementos presentes na ligação, recorrendo ao software ATENA 3D. A partir dos modelos desenvolvidos procura-se avaliar os parâmetros que são identificados como relevantes para o comportamento da conexão aço-betão. Para validar os modelos numéricos desenvolvidos, recorre-se a resultados de ensaios de tipo push-out anteriormente realizados, e são testados novos provetes de tipo push-out, com geometrias específicas, nos quais foi previamente aplicado um carregamento de valor constante durante um período pré-definido. Em todos os ensaios realizados, é possível obter a curva que relaciona força e escorregamento, ao longo do carregamento. Utilizando os resultados dos ensaios de tipo push-out obtidos por (Valente, 2007) e os resultados experimentais obtidos no âmbito desta dissertação, constroi-se e calibra-se o correspondente modelo numérico. Tendo um modelo numérico calibrado, é possível realizar um estudo paramétrico, onde se procura avaliar vários parâmetros relevantes para o comportamento da conexão. São avaliados parâmetros relacionados com as propriedades do betão como a resistência à compressão e à tração, e o módulo de elasticidade, a tensão última do aço utilizado nos conectores e a forma como o carregamento é aplicado. Comparando as curvas que relacionam força e escorregamento obtidas nos provetes ensaiados com as correspondentes curvas obtidas nos modelos numéricos desenvolvidos, é possível perceber o efeito dos parâmetros analisados na capacidade de carga, rigidez e ductilidade dos pernos., Composite structures have been widely used in Civil Engineering, in the global context. The composite action between a steel beam and a concrete slab is accomplished with the use of steel shear connectors. The main function of these connectors is to transmit the longitudinal shears forces that arise between the concrete and steel sections, when the beam is subjected to bending forces and also transvers forces to the plane of the slab which can cause vertical separation between the concrete slab and the steel profile (uplift effect). This dissertation seeks to address the numerical modeling of the connection behavior between the steel profile and the concrete slab when using stud connectors and lightweight concrete. Finite Elements Modelling is considered to define all the elements included in the connection zone, by using the software ATENA 3D. All the parameters that are identified as relevant in the behavior of the steel to concrete connection are evaluated. Results from push-out tests previously performed and results obtained in new push-out specimens, with a specific geometry, tested within this work are used to validate the developed numerical models. In all performed experimental tests, it is possible to obtain the curve that relates force and slip along loading. The numerical model is developed and calibrated by using the results obtained in push-out tests performed by Valente (2007) and the experimental results obtained in this dissertation. With the calibrated numerical model, it is possible to conduct a parametric study, which sought to evaluate various parameters that are relevant to the connection behavior. Parameters related to concrete properties, like compressive and tensile strength, modulus of elasticity and fracture energy, ultimate strength from steel connectors’, and load application. Comparing the curves that relate force and slip obtained in the specimens tested with the corresponding curves obtained from the specimens developed with the FEM numerical models developed, it is possible to evaluate the effect of analyzed parameters on the connection’s load capacity, stiffness and ductility.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:13:40Z No. of bitstreams: 1 Nestor M Solalinde.pdf: 8348295 bytes, checksum: d3321b4655191fd356e3095658f9d6a2 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:13:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nestor M Solalinde.pdf: 8348295 bytes, checksum: d3321b4655191fd356e3095658f9d6a2 (MD5) Previous issue date: 2011-05-19 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro In this work, we present a level set approach for the simulation of two-phase immiscible newtonian fluids. The model consists on the incompressible Navier-Stokes equations, coupled with an advection equation for the level set function. The so-called Continuum Surface Force approach (CSF) is used to model the effect of surface tension. The level set method is used to capture the interface between the fluids. Here, the level set function is advected and reinitialized at each timestep. The spatial discretization is based on an unstructured Finite Element mesh that uses adaptive mesh refinement for higher accuracy. Refinement levels are set to be high on regions near the interface and low away from it. For the discretization of velocity and pressure fields, standard (LBB stable) finite element spaces are taken in consideration. Discretization of the time derivative is given by backward differentiation resulting in an implicit approximation. The finite element algorithm is implemented using the libmesh library. Neste trabalho, apresentamos uma abordagem level-set para simulação de fluidos bifasicos imiscíveis. O modelo consiste nas equações de Navier-Stokes incompressíveis, juntamente com uma equação de advecção para a função level-set. A abordagem CSF (Continuum Surface Force) é utilizada para modelar o efeito da tensão superficial. O método level-set é utilizado para capturar a interface entre os fluidos. Aqui, a função level-set é transportada e reinicializada em cada iteração. A discretização espacial é baseada em uma malha de elementos finitos não-estruturados que utiliza refinamento de malha adaptativa para maior precisão. Níveis de refinamento são calculados como altos na região próxima à interface e baixos longe dela. Para a discretização da velocidade e da pressão, espaços de elementos finitos padrão (LBB estável) são levados em consideração. A discretização da derivada no tempo resulta numa aproximação implícita. O algoritmo de elementos finitos é implementado usando a biblioteca de elementos finitos libmesh

Nesta dissertação pretende-se simular o comportamento dinâmico de uma laje de betão armado aplicando o Método de Elementos Finitos através da sua implementação no programa FreeFEM++. Este programa permite-nos a análise do modelo matemático tridimensional da Teoria da Elasticidade Linear, englobando a Equação de Equilíbrio, Equação de Compatibilidade e Relações Constitutivas. Tratando-se de um problema dinâmico é necessário recorrer a métodos numéricos de Integração Directa de modo a obter a resposta em termos de deslocamento ao longo do tempo. Para este trabalho escolhemos o Método de Newmark e o Método de Euler para a discretização temporal, um pela sua popularidade e o outro pela sua simplicidade de implementação. Os resultados obtidos pelo FreeFEM++ são validados através da comparação com resultados adquiridos a partir do SAP2000 e de Soluções Teóricas, quando possível. In this dissertation we are going to simulate the dynamic behavior of a reinforced concrete plate by applying the Finite Element Method with the FreeFEM++ program. Thus we study and analyze the numerical solution of a tridimensional Linear Elastic problem by FreeFEM++. We take attention to the mathematical model based on the fundamental equations of the Theory of Linear Elasticity: the Compatibility Equations, the Equilibrium Equations and the Constitutive laws. For the dynamic problem we take a numerical method by Direct Integration to obtain the displacement over time. For this, the Newmark Method and the Euler Method have been chosen, the first one by its popularity, and the other one by its simplicity. All the results, obtained by the FreeFEM++, are compared to SAP2000 results and to Analytical Solutions, when possible.

In this work a static and dynamic elastic analyses of frame structures using the finite element method (FEM) is described. The superstructure is modeled employing six sets of frame structures (plane truss, space truss, plane frame, grilled, space frame and space frame stiffened by shear cores) and specific finite elements are developed for these purposes. According to the specific case, bending effects (Euler-Bernoulli or Timoshenko models), torsional effects (under Saint Venant or Vlasov assumptions) are properly operated and the explicit forms of stiffness and mass matrices and equivalent nodal vector are presented. Special attention is paid to the static soil-structure interaction problem. In this case the superstructure (standard space frame) is modeled by FEM, whereas the soil is assumed to be an elastic half-space and modeled by the boundary element method (BEM). Finally the algebraic systems from both methods are coupled in order to allow the soil-structure interaction analysis. Another focus of this study is to develop a simulation environment (called SAPROMS NET) incorporating mainly the preprocessing and processing steps and both are implemented in object-oriented language Java. Some numerical examples are presented, as well as details of the simulation environment. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Neste trabalho são descritas análises estática e dinâmica em regime elástico de estruturas reticuladas utilizando o método dos elementos finitos (MEF). A superestrutura é modelada para seis famílias de estruturas reticuladas (treliça plana, treliça espacial, pórtico plano, grelha, pórtico espacial e pórtico espacial enrijecido com núcleo estrutural) e elementos finitos específicos são desenvolvidos para esse fim. Nos casos pertinentes, os efeitos de flexão (segundo as teorias de Euler-Bernoulli e Timoshenko), de torção (segundo as hipóteses de Saint Venant e Vlasov), são devidamente explorados e as formas explícitas das matrizes de rigidez, de massa e vetor nodal equivalente são apresentadas. Um enfoque especial é dado para o problema de interação solo-estrutura em regime estático. Nesse caso a superestrutura, que pode ser associada ao pórtico espacial sem enrijemento por núcleo estrutural, é modelada pelo MEF e o solo (admitido ser um sólido elástico semi-infinito) é representado por equações integrais compostas e sistematizado algebricamente pelo método dos elementos de contorno (MEC). E por fim, os sistemas algébricos do MEF e do MEC são compatibilizados permitindo assim a análise da interação solo-estrutura. Outro enfoque do trabalho é o desenvolvimento de um ambiente de simulação (denominado SAPROMS NET) voltado, principalmente, para as etapas de pré-processamento e processamento. Essas são implementadas na linguagem orientada a objetos Java. Alguns exemplos numéricos são apresentados, assim como o detalhamento do ambiente de simulação.

O estudo de problemas envolvendo a ação do vento sobre estruturas tem sido tradi-cionalmente realizado por meio de técnicas experimentais desenvolvidas em túneis de vento. No entanto, com o crescente avanço na capacidade de processamento e ar-mazenamento de dados dos computadores atuais, modelos numéricos cada vez mais complexos e eficientes têm sido elaborados e aplicados nesta área, conferindo à si-mulação numérica um grau de confiabilidade bastante recomendável. Na abordagem computacional, os escoamentos de vento são simulados pela aplicação de métodos numéricos desenvolvidos pela dinâmica de fluidos computacional (DFC) para a so-lução das equações que governam a dinâmica dos fluidos. Um modelo de turbulência é usualmente incorporado ao modelo numérico a fim de representar as escalas de turbulência não perceptíveis pela malha gerada no processo de discretização espacial. Campos de pressão e de velocidade do vento são então gerados sobre o domínio de aná-lise e ao longo do período em que a simulação é realizada, os quais são transmitidos à estrutura na forma de forças aerodinâmicas. No presente trabalho, exemplos típicos da engenharia do vento são analisados numericamente empregando-se um modelo baseado no método dos Elementos Finitos (MEF) e desenvolvido no CEMACOM/PP-GEC/UFRGS especialmente para esta finalidade. Experimental techniques developed in wind tunnels have been traditionally employed in the evaluation of the wind action on structures. However, with the rapid progress registered in computer technology, complex and efficient numerical models have been developed and applied in this area, which presently renders numerical simulation a very reliable tool. In approach described herein, wind flows are simulated using nu-merical models from Computational Fluid Dynamics (CFD) to solve the fluid flow go-verning equations. Turbulence models are also implemented into the numerical code in order to represent flow scales under the refinement level presented by the mesh created in the spatial discretization procedure. Pressure and velocity fields referring to the wind flow are obtained over the spatial domain throughout the simulation pe-riod, which are converted into aerodynamic forces on the fluid-structure interface. In the present work, typical wind engineering examples are analyzed numerically using a model based on the Finite Element Method (FEM) and specially developed at the CEMACOM/PPGEC/UFRGS laboratory to simulate wind action over structures.