Utilização de modelos numéricos no cálculo estrutural de barragens gravidade de betão

O principal objectivo desta dissertação é a verificação da segurança de barragens gravidade. A verificação da segurança de estruturas pode ser efectuada recorrendo a diversas metodologias quer experimentais quer numéricas. Com este trabalho, procurou-se utilizar uma metodologia, baseada em métodos numéricos, específica e já devidamente testada no dimensionamento de barragens, mas de difícil acesso à grande maioria da comunidade técnico científico (Método dos Elementos Discretos), como forma de validação de uma metodologia mais corrente e de mais fácil acesso (Método dos Elementos Finitos). Como introdução ao tema é feita uma abordagem geral às barragens, diferenciando os vários tipos existentes. São apresentados os conceitos fundamentais da mecânica dos sólidos, e o comportamento estrutural de barragens, tal como os princípios de segurança a ter em conta num projecto de barragens de betão. Com base na descrição dos modelos de controlo de segurança de barragens gravidade efectuada, foram desenvolvidos dois modelos numéricos baseados em cada uma das metodologias de análise escolhida. Os modelos foram efectuados para um perfil típico de uma barragem gravidade de betão. Os métodos numéricos são desenvolvidos nos programas de cálculo SAP2000 e no 3DEC respectivamente para o Método dos Elementos Finitos e o Método dos Elementos Discretos. É feita a análise da estrutura através das duas metodologias, com base nos resultados em termos de deslocamentos, deformadas e tensões para as acções e combinações consideradas. Em face dos resultados numéricos são retiradas as conclusões elucidativas, sobre as metodologias mais correctas que deverão ser implementadas na verificação da segurança de barragens gravidade.

Avaliação experimental do comportamento dinâmico de um edifício do século XIX: aplicação à calibração de modelos numéricos

Trabalho de Dissertação de natureza científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas

Observação e controlo da segurança estrutural de barragens de betão: utilização integrada de modelos numéricos e de modelos de separação de efeitos

Dissertação de Natureza Científica elabora da no âmbito do protocolo de cooperação entre o ISEL e o LNEC para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Desenvolvimento de modelos para análise dinâmica de estruturas: Aplicação a barragens de betão e estruturas auxiliares

Com este trabalho mostra-se a importância da utilização integrada de modelos numéricos e de resultados da observação do comportamento dinâmico com vista ao controlo de segurança de grandes estruturas, particularizando para o caso da barragem do Cabril e da respectiva torre das tomadas de água. Descrevem-se os fundamentos da dinâmica de estruturas sob a perspectiva da realização de estudos no domínio do tempo e no domínio da frequência, e referem-se os princípios em que se baseiam as metodologias de identificação modal, utilizadas na interpretação e análise de resultados de ensaios de vibração ambiental. Apresentam-se os fundamentos do método dos elementos finitos na perspectiva da sua implementação computacional para análise dinâmica de estruturas, e apresenta-se sumariamente o programa MEFDIN3D, desenvolvido em MATLAB no âmbito deste trabalho, o qual permite a análise estática e dinâmica de estruturas utilizando elementos finitos de placa e tridimensionais. Analisam-se os parâmetros dinâmicos da torre, em termos de frequências naturais e configurações modais, utilizando modelos numéricos 2D (MEFDIN3D e SAP 2000) e um modelo 3D em SAP 2000. Os resultados destes modelos numéricos são comparados com resultados experimentais obtidos a partir de: i) ensaios de vibração ambiental com medição de acelerações no topo da torre e no corpo da barragem e; ii) de um sistema de observação em contínuo do comportamento dinâmico da barragem do Cabril, recentemente instalado em obra pelo LNEC. Após a calibração dos modelos numéricos, apresenta-se um estudo de previsão do comportamento dinâmico da torre sob acções sísmicas, efectuando a análise no domínio do tempo e por espectro de resposta. Por fim, apresentam-se resultados de um cálculo sísmico 3D da barragem do Cabril com o MEFDIN3D.

Utilização de modelos de elementos finitos tridimensionais no cálculo estrutural de barragens de betão

Este trabalho procura evidenciar a importância da escolha do tipo de elementos finitos e correspondente discretização a utilizar na análise do comportamento estrutural de barragens abóbada. Descreve-se a metodologia de cálculo utilizada na análise da resposta de barragens em regime elástico linear sob a acção do peso próprio e da pressão hidrostática com base em modelos numéricos de elementos finitos 3D. Apresentam-se sumariamente os fundamentos do método dos elementos finitos referindo-se, em particular, os elementos finitos utilizados: elemento isoparamétrico tipo cubo com 20 pontos nodais e elemento subparamétrico tipo cubo com 8 pontos nodais. Apresentam-se os programas de análise de barragens utilizados no LNEC nas fases de pré-processamento (geração de malhas de EF3D), processamento e pós-processamento, bem como o programa comercial de cálculo automático SAP2000. Analisa-se por fim o comportamento de duas barragens abóbada cuja resposta para a acção do peso e da pressão hidrostática apresenta algumas diferenças que se analisam em pormenor, nomeadamente em termos de tensões e deslocamentos utilizando vários modelos numéricos 3D (DTIN12 [LNEC] e SAP2000) com diferentes discretizações em que se utilizam os dois tipos de EF atrás referidos.

Observação e modelação do comportamento dinâmico do viaduto do Corgo: utilização integrada de modelos de identificação modal e modelos de elementos finitos de barra

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo de Cooperação entre o ISEL e o LNEC

Caracterização do comportamento dinâmico de um edifício de dois pisos: estudo experimental e numérico

Os sismos são fenómenos naturais, que ao longo da história têm sido responsáveis por enormes perdas, tanto materiais como humanas. Grande parte dessas perdas, resultam dos danos provocados em construções existentes. Com o intuito de minimizar os estragos provocados pelas acções sísmicas, estudam-se várias hipóteses de reforço para assim melhorar o comportamento sísmico do património edificado. Para reforçar determinada estrutura com vista a melhorar o seu comportamento sob acções sísmicas, torna-se fundamental caracteriza-la dinamicamente para assim avaliar o seu desempenho sísmico. Uma das formas mais usuais para caracterizar o comportamento dinâmico de estruturas é a realização de ensaios de vibração, e o desenvolvimento de modelos numéricos devidamente calibrados que representem adequadamente as características dinâmicas das estruturas. É com base nos modelos numéricos que se verifica se determinada estrutura necessita ou não de reforço e, no caso de necessitar, se escolhe a melhor opção de reforço.

Estudo das tensões interlaminares e rotura de elementos curvos em materiais compósitos

Este trabalho aborda o comportamento mecânico de elementos curvos em materiais compósitos aquando sujeitos a forças e momentos nas extremidades. Os modos de falha mais comuns são estudados em detalhe: falha transversal na matriz devido a tensões de flexão (tensões circunferenciais), ou falha por delaminagem devido as tensões interlaminares de tracção verificadas ao longo da espessura na região curva (tensões radiais). Inicialmente, faz-se uma abordagem sobre a influência de Z-Pins na resistência interlaminar, uma abordagem sobre os efeitos de bordo, e sobre tensões interlaminares com base em teorias Layerwise de ordem superior. Salienta-se, ainda, a importância do estudo feito com o World-Wide Failure Exercise (WWFE) (Hinton et al. 2004) na comunidade científica relacionada com o tema dos materiais compósitos. O presente trabalho, é essencialmente dividido em duas partes: modelos analíticos e modelos numéricos. São estudados provetes curvos, em forma de C (semicircular), geometria analisada por Ko e Jackson (1989); e em forma de L (cantoneira de abas iguais), analisados por Sun e Kelly (1988). Começa-se por fazer uma análise teórica, através da Teoria Multicamada, ao trabalho Ko e Jackson, autores da mesma. Analisou-se também, através desta teoria, a parte em quarto de círculo da viga estudada por Sun e Kelly. Após ter a solução analítica bem compreendida, essa teoria é aplicada ao principal estudo deste trabalho, um provete semicircular, usando os empilhamentos de Sun e Kelly. É ainda estudado, e aplicado a este último, o critério de falha em três dimensões (3D) proposto por Hashin (1980). Na segunda parte, é feita uma validação numérica dos três casos anteriores, com recurso ao software comercial de elementos finitos (EF), ANSYS. Estes estudos de EF têm a diferença, relativamente aos originais, de serem em 3D, podendo assim ser retiradas todas as tensões necessárias para se aplicar o critério de falha. No final, é feita uma comparação geral entre os resultados analíticos e numéricos.

Comportamento dinâmico de edifícios de betão armado sem dimensionamento sismo-resistente

Ao longo da História, a ocorrência de fenómenos naturais catastróficos, como é o caso dos sismos, antigamente atribuída a forças místicas, provocou inúmeras perdas humanas e materiais. O desenvolvimento tecnológico para a minimização das consequências das acções sísmicas surgiu assim como um imperativo para a comunidade científica, em particular no que diz respeito aos sismos de grande intensidade e à sua capacidade destrutiva. A crescente consciencialização deste facto tem conduzido à realização de estudos cada vez mais profundos no sentido de se compreender melhor a acção sísmica e os seus efeitos no edificado. A vulnerabilidade sísmica é o único factor que está directamente relacionado com o comportamento sísmico das construções, por isso a sua avaliação torna-se fundamental, pois é utilizada como forma de estimar o desempenho sísmico das construções. Para que se possa estimar o desempenho sísmico das estruturas é necessário caracterizar o seu comportamento dinâmico. Uma das formas mais utilizada para a realização desta caracterização é a execução de ensaios experimentais in situ, designadamente os ensaios de vibração ambiente, e o desenvolvimento de modelos numéricos que representem adequadamente as características dinâmicas da estrutura. É com base nestes modelos numéricos, devidamente calibrados, que se fazem os estudos da avaliação da segurança sísmica das estruturas e posteriormente, no caso de estruturas deterioradas, se decide qual é a técnica de reabilitação mais viável para cada caso.

Avaliação do risco associado a movimentos verticais de navios em manobra no porto da Praia da Vitória

O risco associado a um navio em manobra pode ser avaliado pela probabilidade do movimento vertical de um ponto do navio ultrapassar um determinado limiar pré-definido. Essa excedência pode originar danos tanto no próprio navio como nas estruturas portuárias envolventes. Este trabalho surge no seguimento de um estudo efectuado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), no qual foi desenvolvido um conjunto de ferramentas de avaliação da função resposta do navio quando sujeito à agitação marítima e, partindo dessas ferramentas, foi obtido um procedimento para determinação do espectro dos movimentos verticais de um ponto de um navio parado sujeito àquele estado de agitação (Rodrigues, 2010). No presente estudo, estendeu-se esse procedimento de modo a avaliar a influência da velocidade de avanço do navio no espectro dos movimentos verticais do mesmo. O percurso de entrada do “N/M Fernão Gomes” no porto da Praia da Vitória foi o caso de estudo considerado. A agitação marítima incidente no navio cobriu o período de Janeiro de 2009 a Dezembro de 2010 e foi obtida com base no modelo previsão de escala regional (WAVEWATCH III) e posteriormente transferida para o interior do porto com o recurso a modelos numéricos de propagação de ondas (SWAN e DREAMS). Foi também assumido que a altura do movimento vertical do navio segue uma distribuição de Rayleigh, a qual possibilita a determinação da altura significativa desse movimento vertical, bem como a implementação de um procedimento para determinar a probabilidade de a altura do movimento vertical do navio não exceder um limiar pré-definido e consequentemente mostrar, através da análise dos resultados, a influência da velocidade de avanço do navio. Da análise dos resultados concluiu-se que a velocidade tem uma influência significativa nos resultados. No final avaliou-se a contribuição dos resultados anteriormente determinados, para a análise do risco associado aos movimentos verticais do navio quando em manobra no porto em estudo.

Análise do comportamento dinâmico de uma ponte pedonal

No presente trabalho apresenta-se um estudo numérico e experimental que visa a avaliação do comportamento dinâmico de uma ponte pedonal, o qual envolve o desenvolvimento de modelos numéricos e a realização de ensaios dinâmicos para identificar experimentalmente os parâmetros modais da ponte, frequências naturais e modos de vibração. Numa primeira parte do trabalho apresenta-se uma perspectiva histórica sobre a evolução na construção de pontes pedonais, abordam-se alguns critérios utilizados para definir a tipologia destas obras e introduz-se o tema da vibração excessiva, que usualmente afecta as obras mais esbeltas e consequentemente com menor massa. Segue-se uma abordagem à análise dinâmica em pontes pedonais que envolve uma revisão dos principais fundamentos da dinâmica de estruturas, nomeadamente para os sistemas estruturais com um grau de liberdade e para os sistemas com múltiplos graus de liberdade, no domínio do tempo e da frequência. Introduzem-se e discutem-se os principais aspectos relacionados com a acção dos peões em pontes pedonais e alguns dos requisitos regulamentares utilizados no projecto destas obras. São ainda aflorados alguns aspectos sobre o desenvolvimento de modelos numéricos e a realização de ensaios experimentais para caracterizar o comportamento dinâmico de pontes pedonais. O trabalho termina com a apresentação do estudo de caso referente à caracterização do comportamento dinâmico da ponte pedonal sobre a avenida Santo Condestável em Chelas, no qual se começa por apresentar as principais hipóteses assumidas para o desenvolvimento do modelo numérico, seguindo-se a descrição de um ensaio de vibração ambiental para avaliar os parâmetros modais da obra, terminando com a comparação entre os resultados experimentais e numéricos.

Análise dinâmica de uma estrutura: estudo numérico e experimental

Com o presente trabalho pretende-se estudar e compreender o comportamento dinâmico de estruturas de engenharia civil, de forma a permitir a elaboração de algumas metodologias para o estudo e análise de problemas de dinâmica de estruturas. Apresenta-se uma revisão dos principais fundamentos da modelação matemática do comportamento dinâmico, com o estudo de sistemas de 1 grau de liberdade e posterior generalização para sistemas de múltiplos graus de liberdade. Apresentam-se também as formulações para análises de identificação modal no domínio do tempo e no domínio da frequência. Atendendo que a resolução do problema dinâmico deve cumprir duas etapas: integração no Espaço, e integração no tempo. Para a 1a etapa abordam-se os fundamentos dos métodos numéricos de integração no espaço (em particular, o método dos elementos finitos) com vista á implementação da sua formulação na ferramenta computacional freeFEM++. Para a 2a etapa abordam-se os métodos numéricos de integração no domínio do tempo (em particular, o método de Newmark), de forma a determinar a resposta de uma estrutura quando submetida a acções dinâmicas. Adicionalmente são introduzidos alguns conceitos essenciais ao estudo de resultados experimentais obtidos através da realização de ensaios de vibrações. Por último, estuda-se um modelo físico de um edifício de dois pisos, com base na análise de resultados de um ensaio de vibração ambiental e no desenvolvimento de dois modelos numéricos (em freeFEM++ e em SAP2000) para comparação e análise dos resultados obtidos e validação da ferramenta computacional desenvolvida. Após a calibração dos modelos numéricos aos resultados obtidos experimentalmente, procede-se a uma análise dinâmica dos modelos numéricos sujeitos a uma acção sísmica, com a posterior comparação e análise de resultados obtidos.

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.

Ponte de Muxima: análise e dimensionamento segundo os eurocódigos e relatório de construção

Com este trabalho pretendeu-se abordar duas fases distintas e complexas de uma megaestrutura do calibre de uma obra de arte especial, como pode ser considerado o objeto de estudo do trabalho, a fase de projeto e a fase de construção. Percebe-se, por intermédio deste trabalho, a importância da utilização de modelos numéricos, com recurso aos mais sofisticados programas de modelação tridimensional, onde é imprescindível a modelação tomando em consideração os efeitos das fases construtivas. Os fenómenos físicos como a fluência e retração são de consideração imperativa, tal como a influência das sobrecargas de serviço, como é o caso das sobrecargas regulamentares que já incluem os seus efeitos dinâmicos. Realizou-se um modelo longitudinal de elementos finitos de barra, utilizando os programas GP2004 e RM2004, para a análise da fase construtiva, da fase de entrada em serviço e a longo prazo, considerando-se os 8000 dias como sendo a fase em que a obra se encontra estabilizada em termos de redistribuição de tensões. Deste modelo foi possível obter as envolventes de esforços e de tensões e os deslocamentos em todos os elementos, cruciais para o dimensionamento dos vários elementos constituintes da obra, tais como tabuleiros, pilares, fundações, juntas de dilatação, aparelhos de apoio e sistemas de equilíbrio. Neste caso concreto, e por questões de economia de espaço, é apresentado o dimensionamento do tabuleiro da ponte, para as fases acima referidas e para a situação de estados limites últimos de resistência à flexão composta (secção 6.1 de EC2) e de resistência ao esforço transverso (secção 6.2 do EC2) e aos momentos torsores (secção 6.3 do EC2); e estados limites de serviço, nomeadamente para a abertura de fendas e para a descompressão. Deste modelo, comprovou-se que para as ações consideradas, a armadura longitudinal principal, armadura transversal das almas e armadura de suspensão da laje de fundo, cumprem as suas funções resistentes, em termos de momentos fletores, de esforços transversos máximos com momentos torsores associados e de momentos torsores máximos com esforços transversos associados. Desenvolveu-se e analisou-se, também, um modelo transversal em elementos finitos de placa para o estudo e dimensionamento da secção em caixão do tabuleiro da ponte, modelado numa primeira fase no programa CSI Bridge e posteriormente exportado para o programa SAP2000, onde foram introduzidas as ações atuantes. A análise foi efetuada para as secções de apoio e para a secção a meio vão, no entanto, apresenta-se apenas o dimensionamento da secção de meio vão. Deste modelo obtém-se a armadura transversal necessária para suprir as necessidades em termos de esforços nas zonas de encastramento transversal das lajes e consolas, nas zonas de variação de espessura e zonas centrais da laje. Obtém-se ainda a armadura longitudinal secundária para as zonas das lajes e consolas. Adquiriu-se e desenvolveu-se competências ao nível de dimensionamento de estruturas de betão armado utilizando as normativas europeias, nomeadamente o Eurocódigo 0 na definição das combinações a considerar para os diversos estados limite, o Eurocódigo 1 para a adoção das ações relevantes para o estudo da obra em questão e o Eurocódigo 2 para a definição e/ou dimensionamento dos tabuleiros de betão armado. As conclusões relativamente às diferenças que advêm da adoção de ações segundo as SATCC, utilizadas no projeto de execução original, contra as dos Eurocódigos são evidentes. São apontadas, no capítulo da conclusão, algumas considerações finais relativamente às diferenças de resultados entre o projeto original e o presente estudo, tendo em conta os regulamentos utilizados. Para além do atrás exposto em termos de verificação de segurança dos tabuleiros, compilou-se alguma informação referente à fase de construção da obra, nomeadamente, na apresentação de algumas fases mais relevantes, assim como referências ao estaleiro adotado para uma obra desta envergadura e num território tão complexo, quanto o Angolano.

Simulação numérica aplicada ao tratamento de efluentes

A existência de estações de tratamentos de águas residuais (ETAR) é, nos dias de hoje, fundamental na medida em que permite, reduzir a poluição ambiental associada às águas e, também, a reutilização da água tratada para diversos fins. A constante necessidade de cumprir os limites de descargas nos meios recetores conduziu a um melhoramento nas técnicas e processos de tratamento de efluentes, nomeadamente, nos processos biológicos. O processo por lamas ativadas é um processo amplamente utilizado para a remoção de poluentes orgânicos presentes nas águas residuais, pelo que um estudo mais intensivo sobre estes tratamentos resultou na publicação de uma série de conceitos e pressupostos, através de modelos numéricos. A modelação numérica de processos de tratamento de águas residuais e a utilização de ferramentas de simulação numérica têm sido largamente utilizadas, a nível mundial, por exemplo em investigação, desenvolvimento de processos, atividade de consultoria e igualmente por entidades reguladoras, na medida em que os auxiliam no planeamento, dimensionamento e análise do comportamento de infraestruturas de tratamento. No presente trabalho, recorreu-se ao software de simulação GPS-X (versão 6.0) para implementar o esquema de tratamento da ETAR de Beirolas. O objetivo deste trabalho é verificar a aplicabilidade de modelos numéricos na simulação de unidades de tratamento de efluentes e avaliar a resposta dos diferentes modelos, assim como a influência na alteração de características das águas afluentes no comportamento dos modelos. Os resultados obtidos permitiram concluir que os modelos numéricos podem ser utilizados para prever a resposta dos sistemas biológicos e as suas perturbações. Conclui-se ainda que o comportamento, dos modelos estudados (ASM1, ASM2d, ASM3 e mantis), é semelhante, contudo deve-se referir que devido à complexidade do modelo e a falta de informação experimental sobre as características do efluente, não permitiram efetuar uma completa caracterização e calibração do caso de estudo, e toda a informação disponível sobre as características físico-químicas da água foram baseadas em estimativas de concentrações de carências de oxigénio e sólidos suspensos.