Desenvolvimento de programa em linguagem Matlab® para cálculo pelo método de elementos finitos

Para o projeto de qualquer estrutura existente (edifícios, pontes, veículos, máquinas, etc.) é necessário conhecer as condições de carga, geometria e comportamento de todas as suas partes, assim como respeitar as normativas em vigor nos países nos quais a estrutura será aplicada. A primeira parte de qualquer projeto nesta área passa pela fase da análise estrutural, onde são calculadas todas as interações e efeitos de cargas sobre as estruturas físicas e os seus componentes de maneira a verificar a aptidão da estrutura para o seu uso. Inicialmente parte-se de uma estrutura de geometria simplificada, pondo de parte os elementos físicos irrelevantes (elementos de fixação, revestimentos, etc.) de maneira a simplificar o cálculo de estruturas complexas e, em função dos resultados obtidos da análise estrutural, melhorar a estrutura se necessário. A análise por elementos finitos é a ferramenta principal durante esta primeira fase do projeto. E atualmente, devido às exigências do mercado, é imprescindível o suporte computorizado de maneira a agilizar esta fase do projeto. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura em análise. Porém, estes programas demostram uma certa complexidade durante a introdução dos parâmetros, levando muitas vezes a resultados errados. Assim sendo, é essencial para o projetista ter uma ferramenta fiável e simples de usar que possa ser usada para fins de projeto de estruturas e otimização. Sobre esta base nasce este projeto tese onde se elaborou um programa com interface gráfica no ambiente Matlab® para a análise de estruturas por elementos finitos, com elementos do tipo Barra e Viga, quer em 2D ou 3D. Este programa permite definir a estrutura por meio de coordenadas, introdução de forma rápida e clara, propriedades mecânicas dos elementos, condições fronteira e cargas a aplicar. Como resultados devolve ao utilizador as reações, deformações e distribuição de tensões nos elementos quer em forma tabular quer em representação gráfica sobre a estrutura em análise. Existe ainda a possibilidade de importação de dados e exportação dos resultados em ficheiros XLS e XLSX, de maneira a facilitar a gestão de informação. Foram realizados diferentes testes e análises de estruturas de forma a validar os resultados do programa e a sua integridade. Os resultados foram todos satisfatórios e convergem para os resultados de outros programas, publicados em livros, e para cálculo a mão feitos pelo autor.

Development of paper-based color test-strip for drug detection in aquatic environment: Application to oxytetracycline

The wide use of antibiotics in aquaculture has led to the emergence of resistant microbial species. It should be avoided/minimized by controlling the amount of drug employed in fish farming. For this purpose, the present work proposes test-strip papers aiming at the detection/semi-quantitative determination of organic drugs by visual comparison of color changes, in a similar analytical procedure to that of pH monitoring by universal pH paper. This is done by establishing suitable chemical changes upon cellulose, attributing the paper the ability to react with the organic drug and to produce a color change. Quantitative data is also enabled by taking a picture and applying a suitable mathematical treatment to the color coordinates given by the HSL system used by windows. As proof of concept, this approach was applied to oxytetracycline (OXY), one of the antibiotics frequently used in aquaculture. A bottom-up modification of paper was established, starting by the reaction of the glucose moieties on the paper with 3-triethoxysilylpropylamine (APTES). The so-formed amine layer allowed binding to a metal ion by coordination chemistry, while the metal ion reacted after with the drug to produce a colored compound. The most suitable metals to carry out such modification were selected by bulk studies, and the several stages of the paper modification were optimized to produce an intense color change against the concentration of the drug. The paper strips were applied to the analysis of spiked environmental water, allowing a quantitative determination for OXY concentrations as low as 30 ng/mL. In general, this work provided a simple, method to screen and discriminate tetracycline drugs, in aquaculture, being a promising tool for local, quick and cheap monitoring of drugs.

Protein–polyphenol interaction on silica beads for astringency tests based on eye, photography or reflectance detection modes

Astringency is an organoleptic property of beverages and food products resulting mainly from the interaction of salivary proteins with dietary polyphenols. It is of great importance to consumers, but the only effective way of measuring it involves trained sensorial panellists, providing subjective and expensive responses. Concurrent chemical evaluations try to screen food astringency, by means of polyphenol and protein precipitation procedures, but these are far from the real human astringency sensation where not all polyphenol–protein interactions lead to the occurrence of precipitate. Here, a novel chemical approach that tries to mimic protein–polyphenol interactions in the mouth is presented to evaluate astringency. A protein, acting as a salivary protein, is attached to a solid support to which the polyphenol binds (just as happens when drinking wine), with subsequent colour alteration that is fully independent from the occurrence of precipitate. Employing this simple concept, Bovine Serum Albumin (BSA) was selected as the model salivary protein and used to cover the surface of silica beads. Tannic Acid (TA), employed as the model polyphenol, was allowed to interact with the BSA on the silica support and its adsorption to the protein was detected by reaction with Fe(III) and subsequent colour development. Quantitative data of TA in the samples were extracted by colorimetric or reflectance studies over the solid materials. The analysis was done by taking a regular picture with a digital camera, opening the image file in common software and extracting the colour coordinates from HSL (Hue, Saturation, Lightness) and RGB (Red, Green, Blue) colour model systems; linear ranges were observed from 10.6 to 106.0 μmol L−1. The latter was based on the Kubelka–Munk response, showing a linear gain with concentrations from 0.3 to 10.5 μmol L−1. In either of these two approaches, semi-quantitative estimation of TA was enabled by direct eye comparison. The correlation between the levels of adsorbed TA and the astringency of beverages was tested by using the assay to check the astringency of wines and comparing these to the response of sensorial panellists. Results of the two methods correlated well. The proposed sensor has significant potential as a robust tool for the quantitative/semi-quantitative evaluation of astringency in wine.

Novel optical PVC probes for on-site detection/determination of fluoroquinolones in a solid/liquid interface: Application to the determination of Norfloxacin in aquaculture water

A novel optical disposable probe for screening fluoroquinolones in fish farming waters is presented, having Norfloxacin (NFX) as target compound. The colorimetric reaction takes place in the solid/liquid interface consisting of a plasticized PVC layer carrying the colorimetric reagent and the sample solution. NFX solutions dropped on top of this solid-sensory surface provided a colour change from light yellow to dark orange. Several metals were tested as colorimetric reagents and Fe(III) was selected. The main parameters affecting the obtained colour were assessed and optimised in both liquid and solid phases. The corresponding studies were conducted by visible spectrophotometry and digital image acquisition. The three coordinates of the HSL model system of the collected image (Hue, Saturation and Lightness) were obtained by simple image management (enabled in any computer). The analytical response of the optimised solid-state optical probe against concentration was tested for several mathematical transformations of the colour coordinates. Linear behaviour was observed for logarithm NFX concentration against Hue+Lightness. Under this condition, the sensor exhibited a limit of detection below 50 μM (corresponding to about 16 mg/mL). Visual inspection also enabled semi-quantitative information. The selectivity was ensured against drugs from other chemical groups than fluoroquinolones. Finally, similar procedure was used to prepare an array of sensors for NFX, consisting on different metal species. Cu(II), Mn(II) and aluminon were selected for this purpose. The sensor array was used to detect NFX in aquaculture water, without any prior sample manipulation.

Disposable solid state probe for optical screening of chlorpromazine

We are presenting a simple, low-cost and rapid solid-state optical probe for screening chlorpromazine (CPZ) in aquacultures. The method exploits the colourimetric reaction between CPZ and Fe(III) ion that occurs at a solid/liquid interface, the solid layer consisting of ferric iron entrapped in a layer of plasticized PVC. If solutions containing CPZ are dropped onto such a layer, a colour change occurs from light yellow to dark pink or even light blue, depending on the concentration of CPZ. Visual inspection enables the concentration of CPZ to be estimated. The resulting colouration was also monitored by digital image collection for a more accurate quantification. The three coordinates of the hue, saturation and lightness system were obtained by standard image processing along with mathematical data treatment. The parameters affecting colour were assessed and optimized. Studies were conducted by visible spectrophotometry and digital image acquisition, respectively. The response of the optimized probe towards the concentration of CPZ was tested for several mathematical transformations of the colour coordinates, and a linear relation was found for the sum of hue and luminosity. The limit of detection is 50 μM (corresponding to about 16 μg per mL). The probe enables quick screening for CPZ in real water samples with prior sample treatment.

Discrete fractional order system vibrations

A theory of free vibrations of discrete fractional order (FO) systems with a finite number of degrees of freedom (dof) is developed. A FO system with a finite number of dof is defined by means of three matrices: mass inertia, system rigidity and FO elements. By adopting a matrix formulation, a mathematical description of FO discrete system free vibrations is determined in the form of coupled fractional order differential equations (FODE). The corresponding solutions in analytical form, for the special case of the matrix of FO properties elements, are determined and expressed as a polynomial series along time. For the eigen characteristic numbers, the system eigen main coordinates and the independent eigen FO modes are determined. A generalized function of visoelastic creep FO dissipation of energy and generalized forces of system with no ideal visoelastic creep FO dissipation of energy for generalized coordinates are formulated. Extended Lagrange FODE of second kind, for FO system dynamics, are also introduced. Two examples of FO chain systems are analyzed and the corresponding eigen characteristic numbers determined. It is shown that the oscillatory phenomena of a FO mechanical chain have analogies to electrical FO circuits. A FO electrical resistor is introduced and its constitutive voltage–current is formulated. Also a function of thermal energy FO dissipation of a FO electrical relation is discussed.

Auditoria Energética a Instalação Comercial

O setor da indústria destaca-se como um dos maiores consumidores de energia final em Portugal, representando cerca de 30% do consumo. Para fazer face a esta situação e no âmbito da Estratégia Nacional para a Energia foi criado, pelo Decreto-Lei n.º 71/2008, o Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), regulamento que classifica como Consumidoras Intensivas de Energia (CIE) as indústrias com um consumo anual superior aos 500 tep. Prevendo a elaboração de Planos de Racionalização dos Consumos de Energia (PREn), estabelecendo-se acordos de racionalização dos consumos com a Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG) [1]. Atuando ao nível da eficiência energética o consumo de energia na indústria pode diminuir significativamente, para tal é necessário proceder-se à execução de auditorias energéticas e determinar as soluções mais adequadas de forma a reduzir os desperdícios e custos associados ao consumo de energia. Nesta dissertação apresenta-se a realização de uma auditoria energética a uma instalação comercial, que assenta essencialmente em quatro etapas, nomeadamente: planeamento da intervenção, trabalho de campo, tratamento e análise da informação recolhida, elaboração do relatório da auditoria. A aplicação desta metodologia constitui uma grande ajuda na realização de auditorias energéticas conferindo uma maior qualidade à sua execução. De forma a validar a metodologia utilizada nas auditorias energéticas foi realizado o estudo a uma instalação comercial que registou no ano 2013, um consumo energético inferior a 500 tep, contudo aderiu de forma voluntária ao Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), sendo obrigado a racionalizar o seu consumo de energia de acordo com as metas estabelecidas no SGCIE.

Avaliação Energética e de Auto - Sustentabilidade numa Empresa de Serviços

A tese que se vai apresentar é relativa a um levantamento energético numa empresa de serviços. Colorstar, que se dedica à comercialização e distribuição de produtos químicos, corantes e pigmentos para as indústrias Têxtil, Plásticos e Tintas e que possui nas suas instalações um laboratório para prestação de serviços na área de tinturaria e acabamentos têxteis, estando por isso frequentemente aberta ao contacto com o exterior. O objectivo dessa avaliação energética é permitir à empresa conhecer o seu posicionamento enquanto consumidor de energia, definindo o seu consumo específico de energia e a sua intensidade carbónica e partindo desse conhecimento, poder estabelecer metas relativamente à eficiência do consumo energético da Colorstar, indicando algumas ferramentas que permitam uma racionalização do consumo de energia e consequente poupança na fatura energética. Pretende-se também avaliar a possibilidade de autossustentabilidade energética da empresa e deste modo cumprir a sua política da Qualidade que tem como objectivos a melhoria contínua e a sustentabilidade. Após um primeiro levantamento e análise das faturas de eletricidade dos últimos 2 anos, conclui-se que o consumo da empresa foi de 7,85 tep/ano e de 7,27 tep/ano em 2011. Estes valores de consumo tornam a Colorstar numa empresa não consumidora intensiva de energia (CIE). A área coberta total do edifício onde se situa a empresa é de 503,60 m2. Por estes motivos, o trabalho a ser realizado não será tão exaustivo como o prevê a Legislação no caso de ser uma empresa CIE mas, irá dar especial incidência no levantamento a efetuar ao sector do Laboratório, pois, é lá que se acredita estarem a maior parte dos equipamentos consumidores de eletricidade da empresa e não tem monotorização individual desse consumo. Além disso é também o único sector onde a produção pode ser monitorizada. No presente trabalho foi efetuada a apresentação e caracterização de todo o equipamento com consumo de água e o levantamento da produção na empresa. Em consequência dos resultados desse levantamento foram ainda efetuadas medições no cilindro o que permitiu realizar a desagregação dos consumos de energia na Colorstar e mo sector do Laboratório. Com base nos resultados obtidos conclui-se que o Laboratório é responsável por 34% dos consumos totais de eletricidade na Colorstar sendo assim o maior consumidor da empresa. Segue-se a Climatização com 20%, depois a informática com 18%, os Outros equipamentos com 14% (aqui haverá também uma parcela devido à climatização uma vez que não foi possível calcular o consumo dos aparelhos de Ar Condicionado) e finalmente a Iluminação com um peso de 11% e a Kitchenette (cozinha) com a menor parcela, representa apenas 3% do consumo total da eletricidade na Colorstar. Efetuado também a desagregação dos consumos do Laboratório, concluiu-se que o termoacumulador (cilindro) é o maior consumidor de eletricidade do laboratório com 21% do total, seguindo-se as Máquinas de tingir (19%), Estufas (14%), Máquina de lavar roupa (12%), Placas de Fogão (10%), a Râmula e o Sistema de Exaustão ambos com 6% do consumo total, o Linitest com 5%, o desumidificador com 4%, a Máquina da loiça com 2%, o Espectrofotómetro com 1% e finalmente a Bomba do circuito de Reciclagem da água de arrefecimento das máquinas de tingir com pouco mais que 0%. Em consequência dos resultados do trabalho efetuado, apresentaram-se 3 propostas de melhoria com sugestões para trabalhos futuros.

Desenvolvimento de sensores colorimétricos para despiste de antibióticos

introdução de drogas que assegurem o crescimento e a preservação das espécies, mas que eventualmente se espalham para o meio aquático envolvente, promovendo alterações da biodiversidade e entrar, directamente ou indirectamente, na cadeia alimentar. Quando estas drogas são agentes antimicrobianos de uso humano, tais como a amoxicilina, tetraciclina ou sulfonamidas, há um alto risco de aparecimento de espécies bacterianas resistentes, algo que constitui uma ameaça grave para a saúde pública. Esta introdução de agentes antimicrobianos no ambiente aquático através do sector das pescas pode ser reduzida através da monitorização regular ou contínua dos níveis de antibióticos no sistema de água, durante a execução, bem como antes da descarga para o meio aquático. Para isso, é necessário métodos analíticos que permitam uma frequência analítica elevada e continua, nos tanques de cultivos dos peixes. O presente trabalho descreve para este efeito, um sensor constituído por papel quimicamente modificado por reações em monocamadas, assumindo uma coloração típica após contacto com o antibiótico . A intensidade da coloração estava relacionada com a concentração desse antibiótico. A modificação do papel foi baseada na alteração química das unidades de glucose do papel por meio de uma reação covalente com reagentes apropriados. De seguida, criou-se uma camada de quitosano sobre o papel modificado onde se adsorveu a espécie metálica capaz de mudar de cor na presença de sulfadiazina. As modificações resultantes foram avaliadas em relação a vários parâmetros, com o intuito de provocar uma variação de cor intensa face à concentração de antibiótico. Os sensores preparados foram caracterizados do ponto de vista do seu desempenho analítico, efetuou-se a construção de uma gama de concentração que permitiu obter uma resposta previsível e transversal em relação a outros antibióticos, bem como a identificação de uma relação linear entre concentração e coordenadas de cor e a aplicação de sensores em amostra de água ambiental dopados com antibiótico. Generalizando, foi possível estabelecer um processo de modificação simples de papel capaz de medir a presença e quantidade de sulfadiazina