Caracterização hidráulica, hidrológica e do transporte sólido das principais linhas de água (ribeiras) do concelho de Câmara de Lobos: ilha da Madeira

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Hidráulica

Desenvolvimento da prótese biomecânica do joelho

Este trabalho teve como objectivo o desenvolvimento em computador de uma prótese transfemural para amputados acima do joelho. A prótese desenvolvida replica a geometria conhecida do movimento de rotação no joelho, possui também um cilindro de amortecimento hidráulico, de modo a proporcionar um movimento mais próximo do fisiológico natural. Deste modo garante-se mais estabilidade nas fases de apoio, e maior segurança e conforto aos amputados durante a sua marcha no dia-a-dia. Para desenvolver a prótese realizou-se a modelação computacional da prótese transfemural no SolidWorks 2008. Para obtenção do movimento humano utilizou-se valores de deslocamentos lineares e angulares dos membros inferiores obtidos no Laboratório da biomecânica “MovLab” da Universidade Lusófona de Humanidades e Tecnologias. Para captura do movimento utilizou-se o sistema Vicon de captura de imagem e processamento da cinemática do movimento. Foram registados os valores da força de contacto na passada, através do uso de uma plataforma de forças. Com base no modelo desenvolvido foram realizadas várias simulações de dinâmica inversa, sendo criado dois modelos biomecânico correspondentes a uma pessoa com e sem amputação. Utilizando o movimento capturado por vídeo de uma pessoa a Andar Normal, a Correr e a Saltar, comparou-se os resultados obtidos nas simulações com os valores medidos em laboratório. Para as diferentes simulações os valores obtidos de picos máximos das forças tiveram magnitudes bastantes próximas dos valores obtidos em laboratório, o que indica que a metodologia desenvolvida durante este trabalho representa um bom modelo para estudo e desenvolvimento de próteses.

Caracterização estrutural de infra-estruturas de transporte através de métodos de auscultação não destrutivos

A avaliação da capacidade de carga de infra-estruturas de transportes em serviço, tendo em vista a estimativa da vida residual e o eventual dimensionamento do reforço da estrutura, é realizada recorrendo cada vez mais a ensaios de carga não destrutivos. Esta metodologia permite depois, através de um processo de retroanálise, estabelecer um modelo de comportamento estrutural que reproduza, de forma tão próxima quanto possível, as condições reais da solicitação de tráfego e a resposta da infra-estrutura. Os métodos analíticos utilizados na avaliação estrutural consistem na verificação da capacidade de carga e estimativa da vida útil da estrutura, através de critérios que relacionam a acção do tráfego e os consequentes estados de tensão e de deformação induzidos nas camadas da estrutura e na fundação. O Deflectómetro de Impacto (FWD) e o Deflectómetro de Impacto Portátil (DIP) são, actualmente, dois dos equipamentos de uso mais generalizado para a realização de ensaios de carga. No presente trabalho é apresentado o estado de arte da avaliação da capacidade de carga de infra-estruturas de transportes, sendo efectuada uma descrição com maior pormenor do FWD e do DIP. São apresentados resultados de alguns estudos efectuados em Portugal e no mundo utilizando estes dois equipamentos. O caso de estudo apresentado nesta dissertação consiste na modelação estrutural de um trecho experimental de uma plataforma ferroviária, efectuada com base em ensaios de carga realizados com o FWD e DIP sobre a camada de sub-balastro granular. Neste contexto foi analisada a eficiência dos ensaios de carga e o grau de correlação entre os resultados obtidos pelos dois equipamentos.

Avaliação da dose absorvida na tiróide, em cintigrafias com 123I e Na99mTcO4 utilizando modelos biocinéticos e métodos de Monte Carlo

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Protecção contra Radiações

Modelação do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira: formulação no espaço de estados com amortecimento generalizado

Com este trabalho mostra-se a importância da utilização integrada de modelos numéricos e de resultados da observação do comportamento dinâmico de barragens com vista ao controlo da segurança de sistemas barragem-fundação-albufeira. Neste trabalho utilizou-se o MATLAB para desenvolver um programa de elementos finitos 3D (DySSA 1.0, “Dynamic State Space Analysis”) para análise do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira considerando uma formulação em deslocamentos com a albufeira discretizada em elementos finitos com módulo de distorção nulo. Utiliza-se uma formulação no espaço de estados o que permite considerar amortecimento não proporcional à massa e à rigidez e conduz a modos de vibração complexos. Apresentam-se os fundamentos do método dos elementos finitos na perspetiva da sua implementação computacional para análise dinâmica de estruturas, e apresenta-se sumariamente o programa DySSA 1.0, o qual permite a análise estática e dinâmica de estruturas utilizando elementos finitos tridimensionais isoparamétricos do segundo grau (tipo cubo com 20 pontos nodais), e correspondentes elementos de junta (com 16 pontos nodais, 8 por cada face). O programa foi testado com base na análise dinâmica de uma parede em consola submetida à pressão hidrodinâmica. Os resultados numéricos foram comparados com soluções analíticas e com resultados experimentais obtidos no laboratório de estruturas do ISEL. Descrevem-se os fundamentos da análise dinâmica de estruturas no domínio do tempo, e referem-se os princípios em que se baseiam as metodologias de identificação modal no domínio da frequência. Analisa-se o comportamento dinâmico da barragem do Cabril em termos de frequências naturais e configurações modais, utilizando um modelo 3D representativo do sistema. Os resultados deste modelo numérico são comparados com resultados experimentais obtidos com base no sistema de monitorização dinâmica em contínuo, que foi instalado pelo LNEC em 2008.

Modelação e concepção da carroçaria do veículo eléctrico ecológico (VEECO)

Neste trabalho aborda-se o desenvolvimento da carroçaria do Veículo Eléctrico Ecológico – VEECO recorrendo a tecnologias assistidas por computador. Devido à impossibilidade de abranger toda a temática das tecnologias assistidas por computador, associadas ao desenvolvimento de uma carroçaria automóvel, o foco deste trabalho assenta no processo de obtenção de um modelo digital válido e no estudo do desempenho aerodinâmico da carroçaria. A existência de um modelo digital válido é a base de qualquer processo de desenvolvimento associado a tecnologias assistidas por computador. Neste sentido, numa primeira etapa, foram aplicadas e desenvolvidas técnicas e metodologias que permitem o desenvolvimento de uma carroçaria desde a sua fase de “design” até à obtenção de um modelo digital CAD. Estas abrangem a conversão e importação de dados, a realização de engenharia inversa, a construção/reconstrução CAD em CATIA V5 e a preparação/correcção de modelos CAD para a análise numérica. Numa segunda etapa realizou-se o estudo da aerodinâmica exterior da carroçaria, recorrendo à ferramenta de análise computacional de fluidos (CFD) Flow Simulation da CosmosFloworks integrado no programa SolidWorks 2010. Associado à temática do estudo aerodinâmico e devido à elevada importância da validação dos resultados numéricos por meio de dados experimentais, foi realizado o estudo de análise dimensional que permite a realização de ensaios experimentais à escala, bem como a análise dos resultados experimentais obtidos.

Modelos de simulação em MATSim aplicados à análise de sistemas de transporte

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Vias de Comunicação e Transportes

Investigação no ensino de engenharia biomédica: dois casos de estudo

Desde os anos oitenta que os avanços das ciências básicas e das ciências da engenharia têm dado um impulso sem precedentes à investigação médica, o que criou as condições para a afirmação da Engenharia Biomédica como ramo autónomo da Engenharia. Este novo ramo da Engenharia impôs-se em domínios que incluem a imagiologia biomédica, a bioinformática, a biotecnologia, a biomecânica, os biomateriais, a engenharia de tecidos, próteses e orgãos artificiais, a análise e modelação de sinais fisiológicos e a gestão de sistemas de saúde. Já no século XXI, o volume de saber acumulado e a motivação para acelerar desenvolvimentos científicos e tecnológicos, levou à criação e organização nas universidades de uma oferta de cursos de graduação e pós-graduação em Engenharia Biomédica. Apesar do espectro muito largo da Engenharia Biomédica e dos cursos criados, é possível, mesmo ao nível de Mestrado pós-Bologna (licenciatura pré-Bologna), dar uma formação avançada que permita aos alunos realizar trabalhos de investigação complexos e com impacto clínico. Neste artigo apresentamos dois destes casos de sucesso, representativos do papel da investigação ao longo do ensino bem actual da Engenharia Biomédica. No primeiro, intitulado “Caracterização Tridimensional da Placa de Ateroma da Bifurcação Carotídea com Ultrasonografia 3D”, é apresentado um método inovador de diagnóstico da Aterosclerose, baseado na reconstrução e caracterização tridimensional da lesão aterosclerótica ao nível da bifurcação carotídea. O segundo trabalho, intitulado “Reconstrução da Frente de Onda e Simulação da Acuidade Visual no Estudo do Impacto das Aberrações Ópticas em Olhos Submetidos a Cirurgia”, apresenta uma ferramenta computacional que gera informação adicional sobre a medição da frente de onda obtida com aparelhos comerciais, permitindo estudar o impacto de aberrações ópticas na acuidade visual de diferentes olhos. Este artigo está organizado em quatro partes. A primeira parte é uma nota histórica introdutória à Engenharia Biomédica em geral. A segunda parte apresenta o que do ponto de vista de ensino superior em Engenharia Biomédica, ao nível de Mestrado Integrado de 1º e 2º ciclos, pode em geral viabilizar a fácil inserção dos estudantes na Investigação, conduzindo-os de imediato a resultados de investigação concretos. A terceira parte constitui a parte central deste artigo onde se apresentam dois exemplos ilustrativos do sucesso da formação de 5 anos em Engenharia Biomédica e da inserção da investigação, desde muito cedo, nessa formação. Por fim, na quarta secção apresentam-se as conclusões.

Soluções de transporte com propulsão eléctrica (variante automóvel)

A presente dissertação aborda a questão de como o veículo eléctrico contribuirá para uma mobilidade sustentável. Numa primeira fase, mostra quais as necessidades que a humanidade poderá ter até 2050 e os caminhos a seguir para a sua sustentabilidade sem degradar o nosso planeta. Para responder à questão apresentada, foi feita uma pesquisa das diferentes tecnologias associadas ao veículo eléctrico e a análise de dois veículos para conhecer as suas performances. Da análise realizada verificou-se que o veículo eléctrico puro está apto para circuitos urbanos e a ciclos de utilização casa-trabalho e trabalho-casa, por ter a sua autonomia limitada pela capacidade das suas baterias. Demonstra-se que o custo inicial das baterias é elevado, mas com uma utilização diária do veículo o seu custo anual vai ter custos de utilização razoáveis. Com o aumento da investigação industrial vai existir um aumento dos ciclos de carga, da capacidade das baterias e a redução de custos de produção deste tipo de tecnologia, tornando-se cada vez mais atractiva para os utilizadores. É apresentada uma antevisão de evolução de rede eléctrica ao longo do tempo em função do veículo eléctrico, em que este terá uma importância crescente ao longo do tempo, contribuindo para uma utilização eficiente da energia utilizada nos transportes. A principal conclusão do trabalho é que o veículo eléctrico é parte da solução para os problemas causados pela crescente necessidade de mobilidade.

Rendimento económico e produtivo da soldadura MAG com fio sólido vs. fio fluxado

Na construção soldada, devido ao contínuo aumento dos custos envolvidos com a mão-de-obra e consumíveis, há cada vez mais necessidade, por parte das empresas e dos seus responsáveis, de se poder determinar, com o máximo rigor possível, qual a técnica mais adequada, com o menor custo associado. Ajustando convenientemente os parâmetros e consumíveis de soldadura ao trabalho a realizar, conseguem-se consideráveis reduções dos montantes envolvidos. A competitividade entre empresas é grande e, na maioria dos casos, a diminuição desses custos conduz a um maior sucesso comercial, traduzindo-se numa actualização e optimização dos recursos disponíveis. Teve-se como objectivo, comparando dois processos de soldadura semi-automática MAG (GMAW) e soldadura por fios fluxados (FCAW), determinar qual o mais vantajoso do ponto de vista económico-produtivo. No caso do presente trabalho, efectuaram-se diversos ensaios de soldadura, utilizando materiais nas qualidades e espessuras características da média/pesada construção metalomecânica. Recorreu-se aos processos de soldadura GMAW e FCAW, ou seja, empregando fio consumível sólido e fio consumível fluxado, protecção por gás activo de uma mistura de árgon e dióxido de carbono e efectuando uma soldadura de canto na posição ao baixo nos diversos ensaios através da técnica passe simples e passes múltiplos. Concluiu-se que quando se pretende utilizar técnicas de passe múltiplo onde uma elevada velocidade de soldadura é requerida, o processo FCAW é o mais indicado.

Reservatório de pressão horizontal para transporte de mercadorias perigosas

O presente trabalho consiste na análise estática e dinâmica de um reservatório de pressão horizontal aplicado ao transporte de mercadorias perigosas por estrada (Cisterna). Inicialmente fez-se um enquadramento do tema e relatou-se os resultados das pesquisas bibliográficas. De seguida, procedeu-se a uma análise estática, onde se definiu a mercadoria a transportar, a capacidade da cisterna, dimensões, tipo de topo e de secção, material de construção, pressões, temperaturas e calculou-se a espessura e tensões. Posteriormente, efectuou-se uma análise dinâmica simplificada. Por fim, reuniu-se os resultados, comparando-os e retirando conclusões. Os conteúdos aqui expostos são uma abordagem teórica e não um projecto, onde apenas se fez recurso a estudos analíticos e computacionais deixando de parte qualquer investigação experimental, não podendo existir responsabilidade pela aplicação prática destes conteúdos sem recurso a estudos mais profundos.

Elaboração de cenários para o consumo energético e emissões de GEE do sector dos transportes rodoviários de Portugal: horizonte 2020

Nos tempos actuais, a problemática das alterações climáticas está muito em voga, nomeadamente no que concerne ao consumo energético e respectivas emissões atmosféricas. Relativamente a este aspecto, as emissões de gases de efeito de estufa (GEE) são um dos factores que mais contribui para esse fenómeno global, sendo o sector dos transportes, nomeadamente o modo rodoviário, um dos sectores que regista maior consumo energético e emissões de GEE devido essencialmente ao consumo de combustíveis fósseis. Neste contexto, torna-se relevante ter uma noção da importância que o transporte rodoviário tem actualmente em matéria de consumo energético e emissões, bem como uma percepção desses indicadores para um horizonte futuro através da realização de uma previsão, permitindo contribuir para a definição de estratégias que promovam uma maior sustentabilidade neste sector. Desta forma foi desenvolvida uma metodologia de cálculo para determinação do consumo energético e emissões de gases de efeito de estufa em Portugal do sector dos transportes rodoviários, nomeadamente dióxido de Carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) para o ano base de 2008, realizando-se posteriormente uma análise de âmbito estocástico destes factores para o horizonte 2020, ou seja, um estudo apoiado em diversas variáveis explicativas do consumo energético e emissões cuja quantificação futura é difícil de prever, estando por isso associadas a uma incerteza significativa. Nesta análise foi empregue um software de análise de risco (@Risk) de modo a caracterizar estatisticamente esta incerteza associada às variáveis chave do estudo.

Simulação de veículos híbridos hidráulicos

Os veículos híbrido hidráulico são constituídos por duas fontes de energia, uma que proporciona a potência hidráulica (sistema hidráulico) e outra que proporciona a potência através de um motor de combustão interna. Existem veículos híbridos hidráulicos a circular, derivados de veículos convencionais, aos quais se adapta um sistema hidráulico. Os veículos híbridos hidráulicos requerem o estudo das forças aerodinâmico e de todas as resistências que se opõe ao seu movimento, além da modelação dos componentes hidráulicos que afectam a performance do veículo. Os estudos destes componentes hidráulicos para análise da performance do veículo híbrido foram abordados neste trabalho. Foi utilizado o programa computacional Matlab/simulink, que permite modelar os componentes hidráulicos e os subsistemas necessários para definir o modelo computacional de veículo híbrido. Por fim, utilizando os modelos do veículo híbrido simulou-se o seu funcionamento para várias condições. È feita a análise dos resultados obtidos para as simulações, em particular a nível de consumo de combustível, emissão de poluição e autonomia. È feita e discutida comparação dos resultados dos veículos.

Sistemas de automação e manutenção de edifícios: eficiência energética dos sistemas de elevação vertical para transporte de pessoas

O presente trabalho incide sobre a análise da eficiência energética dos elevadores. Para se poder entender esta questão, são apresentadas diversas informações que permitem conhecer os factores associados aos consumos de energia activa, procurando-se perceber qual o rendimento destes equipamentos. Inicialmente são analisados os diversos componentes, que fazem parte de um elevador e os locais em que esses componentes são instalados. Abordam-se as diferentes soluções de accionamento, os diversos tipos de utilização e as diferentes tecnologias que podem ser aplicadas. O estudo dos consumos de energia eléctrica dos elevadores, foi efectuado com base na metodologia desenvolvida pelo grupo E4, do programa Utilização Eficiente da Energia, da Comunidade Europeia, cujo suporte foi o DRAFT ISSO/DIS 25745 - 1 Energy Performance of Lifts and Escalators - Part 1: Energy Measurement and Conformance. Os consumos de energia eléctrica serão caracterizados com os elevadores a serem monitorizados individualmente e sem carga na cabina. A apresentação de resultados obtidos terá em linha de conta: a energia eléctrica consumida com o equipamento em modo de funcionamento, ou seja, com este a realizar ciclos completos, e a potência eléctrica consumida com a instalação em modo de standby, ou seja em não operação. No presente trabalho, são divulgados estudos do grupo E4, em que foram monitorizados elevadores em quatro países da Europa: Portugal, Alemanha, Itália e Polónia. Estes estudos permitem estimar os consumos anuais de energia eléctrica, a nível de funcionamento e a nível de standby e estimar o consumo total, seguindo como base a metodologia anteriormente referida. Para se caracterizar o parque Europeu de elevadores, o grupo E4 recorreu à ELA, Associação Europeia de Elevadores, tendo assim sido possível estimar o consumo anual numa Europa a 27, acrescido do parque da Suíça e da Noruega. Pretende-se com isso poder estimar o potencial de redução no consumo energético no parque analisado, com a aplicação das Melhores Tecnologias Disponíveis (MTD) e com a aplicação de tecnologias que ainda estão em fase de desenvolvimento. (MTND). Paralelamente o autor irá apresentar as monitorizações que efectuou a três elevadores, para os quais procurou validar as leituras efectuadas, comparando os consumos obtidos, com os consumos registados pelas monitorizações do grupo E4 e respectivas estimativas de consumos anuais de energia. As monitorizações do autor, serão utilizadas na catalogação desses três equipamentos a nível de classes de eficiência energética, tendo por base a VDI 4707/Part 1 - Lifts - Energy Efficiency - VDI manual Building Services - Volume 5: Transportation Systems. Procura-se, também, criar um método de apoio na tomada de decisão nas diversas fases de um ciclo do elevador, nomeadamente: desde a especificação, a selecção do sistema de accionamento, a selecção dos sistemas auxiliares, a instalação e a operação do elevador, com vista à melhoria da eficiência energética, e á instalação futura ou à modernização dos equipamentos existentes. Abordam-se as barreiras existentes que inibem a mudança no sector de elevação, para a implementação das MTD no parque de elevadores existente ou no desenvolvimento de novas tecnologias que possibilitem a melhoria da eficiência energética, MTND. Por ultimo, aborda-se de forma simples a temática da supervisão técnica nos elevadores, através da monitorização e supervisão dos diversos componentes, com vista à optimização da gestão da manutenção e procurando interligar esta gestão à melhoria da eficiência energética. Consegue-se concluir que apenas com a aplicação das MTD, podem ser obtidos ganhos de eficiência energética, e também que este tema não tem tido a importância que merece, pois, na análise da eficiência energética de um edifício, a eficiência dos elevadores não é tida em consideração. A ausência de legislação específica, que torne a análise da eficiência energética dos elevadores obrigatória, será um dos problemas referidos. Reforça-se que, a potencialidade de poupança energética na Europa não deve ser desprezada.

Controlo de um gerador hidroeléctrico utilizado na recuperação de energia numa conduta de abastecimento de água

O presente trabalho pretende contribuir para a melhoria da eficiência dos sistemas de transporte e distribuição de água, possível de conseguir através da recuperação de energia potencial que, em certas situações, existe em excesso em condutas gravíticas. Sendo uma questão já abordada em diversos estudos, as poupanças de energia a que poderá conduzir, justificam a análise de todas as oportunidades, em especial no nosso País, cuja dependência energética do exterior é bem conhecida. Todavia, a implementação de soluções que recorrem à instalação de turbinas em condutas de abastecimento de água, causam naturalmente alguma apreensão às respectivas entidades gestoras, uma vez que pode pôr em causa a integridade das condutas e, em consequência, o abastecimento de água. Neste contexto, o estudo de modelos de controlo específicos para os referidos equipamentos poderá ser um contributo para a implementação mais alargada das soluções de melhoria da eficiência de sistemas de abastecimento de água, através da instalação de geradores hidroeléctricos, que terão a dupla função de controlo de caudal e produção de energia. O estudo e simulação dos modelos de controlo contidos neste trabalho permite concluir que é possível garantir a segurança das condutas e produzir energia eléctrica com turbinas nelas instaladas. Interessa assim aprofundar este tipo de estudos de forma a conseguir modelos de controlo que, com as premissas indicadas, possibilitem a optimização da produção de energia.