Prevenção e detecção de incêndios

Os fogos florestais, embora possam ser encarados como um fenómeno natural, constituem igualmente uma ameaça com impactos negativos a vários níveis. A alteração dos regimes naturais do fogo por acção antrópica tem vindo a maximizar o potencial catastrófico do fenómeno em diferentes regiões do planeta, destacando-se, em particular, a Região Mediterrânica, onde o fogo constitui uma perturbação recorrente associada, por um lado, às características climáticas desta região e, por outro, às práticas tradicionais decorrentes da presença humana nessa área, numa extensão temporal de milhares de anos. Em Portugal, o problema dos fogos florestais assume uma expressividade de particular relevo, colocando-o entre os países do sul da Europa mais atingidos pelo fogo a cada Verão. Reconhecendo o papel das condições meteorológicas nas interacções envolvidas no processo de deflagração e propagação de incêndios, a identificação de condições meteorológicas propícias à ocorrência de incêndios, expressa sob a forma de índices de risco reveste-se de crucial importância para as operações de prevenção e combate aos incêndios, para além da mais-valia que constituem para os restantes sectores da sociedade. Adicionalmente, a detecção e monitorização de ocorrências de incêndios a partir de satélites tem vindo a assumir um papel preponderante, revelando-se fundamental enquanto fonte de alerta e pelas potencialidades que as bases de dados resultantes da observação contínua da Terra pelos satélites oferecem, no que às mais diversas áreas de investigação diz respeito. O presente trabalho explora, nas vertentes da prevenção de incêndios, a utilização de previsões de tempo de alta resolução espacial obtidas com o modelo WRF para a determinação das componentes do sistema FWI canadiano e sua disponibilização operacional. Os resultados apontam para um impacto positivo, em virtude do incremento da resolução espacial, da representação espacial do risco meteorológico de incêndio no território português. Paralelamente, apresentam-se os resultados do desenvolvimento de produtos de detecção de incêndios activos a partir da infra-estrutura de recepção de dados de satélite implementadas na Universidade de Aveiro, destacando a sua adequabilidade para a monitorização e identificação, em tempo quase-real, da ocorrência de fogos florestais em Portugal Continental.

Numerical tools for isogeometric analysis in the nonlinear regime

The present work deals with the development of robust numerical tools for Isogeometric Analysis suitable for problems of solid mechanics in the nonlinear regime. To that end, a new solid-shell element, based on the Assumed Natural Strain method, is proposed for the analysis of thin shell-like structures. The formulation is extensively validated using a set of well-known benchmark problems available in the literature, in both linear and nonlinear (geometric and material) regimes. It is also proposed an alternative formulation which is focused on the alleviation of the volumetric locking pathology in linear elastic problems. In addition, an introductory study in the field of contact mechanics, in the context of Isogeometric Analysis, is also presented, with special focus on the implementation of a the Point-to-Segment algorithm. All the methodologies presented in the current work were implemented in a in-house code, together with several pre- and post-processing tools. In addition, user subroutines for the commercial software Abaqus were also implemented.

Anodes for protonic ceramic fuel cells (PCFCs)

One of the more promising possibilities for future “green” electrical energy generation is the protonic ceramic fuel cell (PCFC). PCFCs offer a low-pollution technology to generate electricity electrochemically with high efficiency. Reducing the operating temperature of solid oxide fuel cells (SOFCs) to the 500-700°C range is desirable to reduce fabrication costs and improve overall longevity. This aim can be achieved by using protonic ceramic fuel cells (PCFCs) due to their higher electrolyte conductivity at these temperatures than traditional ceramic oxide-ion conducting membranes. This thesis deals with the state of the art Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anodes for PCFCs. The study of PCFCs is in its initial stage and currently only a few methods have been developed to prepare suitable anodes via solid state mechanical mixing of the relevant oxides or by combustion routes using nitrate precursors. This thesis aims to highlight the disadvantages of these traditional methods of anode preparation and to, instead, offer a novel, efficient and low cost nitrate free combustion route to prepare Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anodes for PCFCs. A wide range of techniques mainly X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), environmental scanning electron microscopy, (ESEM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were employed in the cermet anode study. The work also offers a fundamental examination of the effect of porosity, redox cycling behaviour, involvement of proton conducting oxide phase in PCFC cermet anodes and finally progresses to study the electrochemical performance of a state of the art anode supported PCFC. The polarisation behaviour of anodes has been assessed as a function of temperature (T), water vapour (pH2O), hydrogen partial pressures (pH2) and phase purity for electrodes of comparable microstructure. The impedance spectra generally show two arcs at high frequency R2 and low frequency R3 at 600 °C, which correspond to the electrode polarisation resistance. Work shows that the R2 and R3 terms correspond to proton transport and dissociative H2 adsorption on electrode surface, respectively. The polarization resistance of the cermet anode (Rp) was shown to be significantly affected by porosity, with the PCFC cermet anode with the lowest porosity exhibiting the lowest Rp under standard operating conditions. This result highlights that porogens are not required for peak performance in PCFC anodes, a result contrary to that of their oxide-ion conducting anode counterparts. In-situ redox cycling studies demonstrate that polarisation behaviour was drastically impaired by redox cycling. In-situ measurements using an environmental scanning electron microscopy (ESEM) reveal that degradation proceeds due to volume expansion of the Ni-phase during the re-oxidation stage of redox cycling.The anode supported thin BCZY44 based protonic ceramic fuel cell, formed using a peak performing Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anode with no porogen, shows promising results in fuel cell testing conditions at intermediate temperatures with good durability and an overall performance that exceeds current literature data.

Pathways of oxidative degradation of wine

The production of color/flavor compounds in wine is the result of different interrelated mechanism reactions. Among these, the oxidation phenomenon and the Maillard reaction stands out with particular relevance due to their large impact on the sensory quality of wines and consequently on the product shelflife. The aim of this thesis is to achieve a global vision of wine degradation mechanisms. The identification of mediators’ reactions involved in oxidative browning and aromatic degradation will be attempted based on different detectors. Two approaches are implemented in this work: a “non-target” approach by which relevant analytical tools will be used to merge the information of cyclic voltammetry and Diode-Array (DAD) detectors, allowing a broader overview of the system and the note of interesting compounds, and a “target” approach by which the identification and quantification of the different compounds related to the wine degradation process will be performed using different detectors (HPLC-UV/Vis, LC-MS, GC-MS, and FID). Two different patterns of degradation will be used in this study: wines generated by O2 and temperature perturbations, and synthetic solutions with relevant wine constituents for mechanisms validation. Results clearly demonstrate a “convolution” of chemical mechanisms. The presence of oxygen combined with temperature had a synergistic effect on the formation of several key odorant compounds.The results of this work could be translated to the wine-making and wine-storage environment from the modelling of the analysed compounds.

Channel modelling for MIMO systems

Systems equipped with multiple antennas at the transmitter and at the receiver, known as MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems, offer higher capacities, allowing an efficient exploitation of the available spectrum and/or the employment of more demanding applications. It is well known that the radio channel is characterized by multipath propagation, a phenomenon deemed problematic and whose mitigation has been achieved through techniques such as diversity, beamforming or adaptive antennas. By exploring conveniently the spatial domain MIMO systems turn the characteristics of the multipath channel into an advantage and allow creating multiple parallel and independent virtual channels. However, the achievable benefits are constrained by the propagation channel’s characteristics, which may not always be ideal. This work focuses on the characterization of the MIMO radio channel. It begins with the presentation of the fundamental results from information theory that triggered the interest on these systems, including the discussion of some of their potential benefits and a review of the existing channel models for MIMO systems. The characterization of the MIMO channel developed in this work is based on experimental measurements of the double-directional channel. The measurement system is based on a vector network analyzer and a two-dimensional positioning platform, both controlled by a computer, allowing the measurement of the channel’s frequency response at the locations of a synthetic array. Data is then processed using the SAGE (Space-Alternating Expectation-Maximization) algorithm to obtain the parameters (delay, direction of arrival and complex amplitude) of the channel’s most relevant multipath components. Afterwards, using a clustering algorithm these data are grouped into clusters. Finally, statistical information is extracted allowing the characterization of the channel’s multipath components. The information about the multipath characteristics of the channel, induced by existing scatterers in the propagation scenario, enables the characterization of MIMO channel and thus to evaluate its performance. The method was finally validated using MIMO measurements.

Characterisation of the cyclic behaviour of reinforced concrete elements with plain bars

Sismos recentes comprovam a elevada vulnerabilidade dos edifícios existentes de betão armado. A resposta das estruturas aos sismos é fortemente condicionada pelas características da aderência aço-betão, que exibe degradação das propriedades iniciais quando sujeitas a carregamentos cíclicos e alternados. Este fenómeno é ainda mais gravoso para elementos com armadura lisa, predominantes na maioria das estruturas construídas até à década de 70 nos países do sul da Europa. A prática corrente de conceção, dimensionamento e pormenorização das estruturas antigas leva a que tenham características de comportamento e níveis de segurança associados não compatíveis com as exigências atuais. Os estudos realizados sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa são ainda insuficientes para a completa caracterização deste tipo de elementos. Esta tese visou a caraterização da relação tensão de aderência versus escorregamento para elementos estruturais com armadura lisa e o estudo da resposta cíclica de pilares e nós viga-pilar de betão armado com armadura lisa. Foram realizados dez séries de ensaios de arrancamento (nove monotónicos e um cíclico) em provetes com varões lisos. Os resultados destes ensaios permitiram propor novas expressões empíricas para a estimativa dos parâmetros usados num modelo disponível na literatura para representação da relação tensão de aderência versus escorregamento. É ainda proposto um novo modelo monotónico para a relação tensão de aderência versus escorregamento que representa melhor a resposta após a resistência máxima de aderência. Uma campanha de ensaios unidirecionais em pilares e nós viga-pilar foi também realizada com o objetivo principal de caracterizar o comportamento cíclico deste tipo de elementos. No total foram realizados oito ensaios em pilares, sete ensaios em nós viga-pilar interiores e seis ensaios em nós viga-pilar exteriores representativos de estruturas antigas de betão armado com armadura lisa. Os resultados experimentais permitiram avaliar a influência do escorregamento e estudar o mecanismo de corte em nós e a evolução dos danos para elementos com armadura lisa. Com base nos resultados experimentais foi proposta uma adaptação na expressão do Eurocódigo 8-3 para o cálculo da capacidade última de rotação de elementos com armadura lisa. Foi também desenvolvido um estudo paramétrico, com diferentes estratégias de modelação não linear, para a simulação da resposta de pilares considerando o escorregamento da armadura lisa. Por último, foi proposto um novo modelo simplificado trilinear para o aço que contempla o efeito do escorregamento da armadura lisa.

Perceções sociais dos portugueses face aos riscos associados às alterações climáticas

O aquecimento do sistema climático é inequívoco e a influência humana é clara. A continuação da emissão de gases com efeito de estufa irá potenciar os impactes das alterações climáticas, representando um compromisso futuro que se perpetuará por vários séculos. As alterações climáticas não proporcionam uma experiência sensorial direta, embora as variações de temperatura e de precipitação e os extremos climáticos de vários tipos poderem ser experienciados. O cidadão comum não se apercebe do que está a acontecer, a menos que ocorram mudanças significativas, no estado normal do tempo para uma determinada época, na região do mundo onde ele vive. Mesmo para os especialistas, o problema só é cognoscível através de uma vasta rede científica, técnica e institucional. O conhecimento, é portanto, transmitido ao público em geral maioritariamente através de representações dos media sobre o discurso produzido pela comunidade científica. O principal objetivo deste trabalho é averiguar a interligação entre o discurso científico, o discurso mediático e as perceções da população portuguesa na temática das alterações climáticas. A metodologia utilizada, para a prossecução do objetivo, num trabalho que cruza o domínio científico da engenharia do ambiente com o das ciências sociais, encontra-se dividida em 3 fases principais: (1) Uma primeira fase onde se realiza uma análise ao discurso científico de produção nacional, com uma análise de conteúdo aos resumos dos artigos científicos, utilizando 884 resumos da base de dados Scopus de 1975 a 2013 com a palavra-chave ‘Climate Change’; (2) Uma segunda fase onde se analisa o conteúdo de notícias de meios de comunicação social portugueses, aplicando uma análise de conteúdo a 4340 notícias veiculadas por 4 órgãos de comunicação social (Correio da Manhã, Público, RTP e TSF) entre 2004 e 2013, utilizando os respetivos motores de busca online com a palavra-chave ‘Alterações Climáticas’; e, (3) uma terceira fase onde se compila a informação dos estudos existentes sobre a população portuguesa, utilizando os dados dos Eurobarómetros que incluem o tema das alterações climáticas de 1982 a 2014. Seguindo uma linha condutora que inclui o discurso científico, o discurso mediático e as perceções sociais, almejou-se uma abrangência do tema das alterações climáticas, investigando a existência do fenómeno e as respetivas causas, as consequências com a análise dos impactes e dos riscos associados a esses impactes e as soluções através de medidas de mitigação e de adaptação. Nos principais resultados emerge a evidência de que a intensidade de crescimento da produção científica nacional não se traduz num crescimento consistente dos índices de noticiabilidade dos órgãos de comunicação social e desde 2010 que o número de dias por ano, sem notícias sobre alterações climáticas, ultrapassa dos 50%. Em consequência, os níveis de informação da população portuguesa sobre as alterações climáticas são sistematicamente inferiores à média europeia. Em Portugal as taxas de pouco ou nulo conhecimento rondam os dois terços de inquiridos. Não obstante o seu caráter contínuo, para que as alterações climáticas se tornem alvo de interesse dos media é necessário que ocorram reuniões políticas, encontros científicos ou outros acontecimentos. A visibilidade alcançada pelos acontecimentos nacionais é muito fraca e os acontecimentos meteorológicos extremos, não são frequentemente relacionados com o fenómeno das alterações climáticas. No seio da comunidade científica portuguesa existe um claro consenso sobre a existência das alterações climáticas e das suas causas antropogénicas. No discurso mediático português não se verifica enviesamento da informação não sendo surpreendente os baixos níveis de ceticismo dos portugueses. A abordagem aos impactes das alterações climáticas, tanto no discurso científico como no discurso mediático, é robusta e em 2014, cerca de sete em dez portugueses afirma que as alterações climáticas são um problema muito sério. Contudo, Portugal apresenta a proporção mais baixa da Europa de respondentes que percepcionam as alterações climáticas como o problema mais grave que o mundo enfrenta. Para estes resultados poderá contribuir a baixa inclusão de termos relacionados com o risco, tanto no discurso científico como no mediático, não ultrapassando os 20%. Tanto o discurso científico como o discurso mediático não estão direcionados para as soluções (mencionando especificamente medidas de mitigação ou medidas de adaptação). A menção às medidas de mitigação e às medidas de adaptação não ultrapassam os 16% no discurso científico e apresentam valores ainda mais baixos no discurso mediático (13%). Em ambos os discursos existe uma clara preferência pela menção às medidas de adaptação em detrimento das medidas de mitigação. Com valores tão baixos na abordagem às soluções das alterações climáticas não surpreendem os também diminutos níveis de responsabilidade que a população portuguesa atribui a si própria no combate às alterações climáticas.

Severe plastic deformation of Al–Zn alloys

In this work, the R&D work mainly focused on the mechanical and microstructural analysis of severe plastic deformation (SPD) of Al–Zn alloys and the development of microstructure–based models to explain the observed behaviors is presented. Evolution of the microstructure and mechanical properties of Al–30wt% Zn alloy after the SPD by the high–pressure torsion (HPT) has been investigated in detail regarding the increasing amount of deformation. SPD leads to the gradual grain refinement and decomposition of the Al–based supersaturated solid solution. The initial microstructure of the Al–30wt% Zn alloy contains Al and Zn phases with grains sizes respectively of 15 and 1 micron. The SPD in compression leads to a gradual decrease of the Al and Zn phase grain sizes down to 4 microns and 252 nm, respectively, until a plastic strain of 0.25 is reached. At the same time, the average size of the Zn particles in the bulk of the Al grains increases from 20 to 60 nm and that of the Zn precipitates near or at the grain boundaries increases as well. This microstructure transformation is accompanied at the macroscopic scale by a marked softening of the alloy. The SPD produced by HPT is conducted up to a shear strain of 314. The final Al and Zn grains refine down to the nanoscale with sizes of 370 nm and 170 nm, respectively. As a result of HPT, the Zn–rich (Al) supersaturated solid solution decomposes completely and reaches the equilibrium state corresponding to room temperature and its leads to the material softening. A new microstructure–based model is proposed to describe the softening process occurring during the compression of the supersaturated Al–30wt% Zn alloy. The model successfully describes the above–mentioned phenomena based on a new evolution law expressing the dislocation mean free path as a function of the plastic strain. The softening of the material behavior during HPT process is captured very well by the proposed model that takes into consideration the effects of solid solution hardening and its decomposition, Orowan looping and dislocation density evolution. In particular, it is demonstrated that the softening process that occurs during HPT can be attributed mainly to the decomposition of the supersaturated solid solution and, in a lesser extent, to the evolution of the dislocation mean free path with plastic strain.

A interface carboneto de silício-solução aquosa e o enchimento por barbotina

Neste trabalho estudaram-se as interfaces carboneto de silício-solução aquosa e carbono-solução aquosa, com vista a uma melhor compreensão dos processos de floculaçáo e desfloculaçáo de suspensões de cada um daqueles materiais e de suas misturas. Os pós foram caracterizados por recurso a técnicas de sedimentação, microscopia electrónica de varrimento, difracçáo de raios-X, análises térmicas, espectroscopia de infra-vermelhos e picnometria de hélio. As suspensões foram caracterizadas por técnicas de microelectroforese, sedimentação e reologia. Estudou-se a influência de algumas variáveis mais importantes do processo de enchimento por barbotina como, por exemplo, o mecanismo e o grau de estabilização das suspensões, a concentração de sólidos, a distribuição granulométrica das partículas, e o tempo de envelhecimento das suspensões, na estrutura das partículas em suspensão e nas características dos corpos conformados por enchimento por barbotina. A cinética deste processo foi estudada sob o efeito de pressão aplicada e relacionada com a estrutura das partículas em suspensão e com a microstrutura dos corpos em verde. Estudaram-se os mecanismos da segregação de tamanhos de partículas em suspensão que ocorre durante o processo de enchimento por barbotina devidos aos efeitos da gravidade e da obstrução do bolo pelas partículas finas. Discutiram-se os domínios das variáveis do processo em que cada um daqueles efeitos é dominante e propôs-se um novo modelo para o fenómeno da segregação por efeito de obstrução capaz de interpretar os resultados observados neste trabalho e os encontrados na literatura. Estabeleceram-se correlações estreitas entre as variáveis do processo de enchimento por barbotina, a microestrutura dos corpos conformados e o seu comportamento durante a etapa da secagem. Procurou ainda avaliar-se a capacidade do enchimento por barbotina para preparar materiais compósitos de carboneto de silício e carbono com características adequadas para a sinterizaçáo reactiva.