Strength improvement of adhesively-bonded scarf repairs in aluminium structures with external reinforcements

Adhesively bonded techniques are an attractive option to repair aluminium structures, compared to more traditional methods. Actually, as a result of the improvement in the mechanical characteristics of adhesives, adhesive bonding has progressively replaced the traditional joining methods. There are several bonded repair configurations, as single-strap, double-strap and scarf. Compared with strap repairs, scarf repairs have the advantages of a higher efficiency and the absence of aerodynamic disturbance. The higher efficiency is caused by the elimination of the significant joint eccentricities of strap repairs. Moreover, stress distributions along the bond length are more uniform, due to tapering of the scarf edges. The main disadvantages of this technique are the difficult machining of the surfaces, associated costs and requirement of specialised labour. This work reports on an experimental and numerical study of the tensile behaviour of two-dimensional (2D) scarf repairs of aluminium structures bonded with the ductile epoxy adhesive Araldite® 2015. The numerical analysis, by Finite Elements (FE), was performed in Abaqus® and used cohesive zone models (CZM) for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer, thus enabling the strength prediction of the repairs. A parametric study was performed on the scarf angle (α) and different configurations of external reinforcement (applied on one or two sides of the repair, and also different reinforcement lengths). The obtained results allowed the establishment of design guidelines for repairing, showing that the use of external reinforcements enables increasing α for equal strength recovery, which makes the repair procedure easier. The numerical technique was accurate in predicting the repairs’ strength, enabling its use for design and optimisation purposes.

Cohesive law estimation of adhesive joints in mode II condition

The adhesive bonding technique enables both weight and complexity reduction in structures that require some joining technique to be used on account of fabrication/component shape issues. Because of this, adhesive bonding is also one of the main repair methods for metal and composite structures by the strap and scarf configurations. The availability of strength prediction techniques for adhesive joints is essential for their generalized application and it can rely on different approaches, such as mechanics of materials, conventional fracture mechanics or damage mechanics. These two last techniques depend on the measurement of the fracture toughness (GC) of materials. Within the framework of damage mechanics, a valid option is the use of Cohesive Zone Modelling (CZM) coupled with Finite Element (FE) analyses. In this work, CZM laws for adhesive joints considering three adhesives with varying ductility were estimated. The End-Notched Flexure (ENF) test geometry was selected based on overall test simplicity and results accuracy. The adhesives Araldite® AV138, Araldite® 2015 and Sikaforce® 7752 were studied between high-strength aluminium adherends. Estimation of the CZM laws was carried out by an inverse methodology based on a curve fitting procedure, which enabled a precise estimation of the adhesive joints’ behaviour. The work allowed to conclude that a unique set of shear fracture toughness (GIIC) and shear cohesive strength (ts0) exists for each specimen that accurately reproduces the adhesive layer’ behaviour. With this information, the accurate strength prediction of adhesive joints in shear is made possible by CZM.

(Un)suitability of the use of pH buffers in biological, biochemical and environmental studies and their interaction with metal ions – a review

The use of buffers to maintain the pH within a desired range is a very common practice in chemical, biochemical and biological studies. Among them, zwitterionic N-substituted aminosulfonic acids, usually known as Good’s buffers, although widely used, can complex metals and interact with biological systems. The present work reviews, discusses and updates the metal complexation characteristics of thirty one commercially available buffers. In addition, their impact on biological systems is also presented. The influences of these buffers on the results obtained in biological, biochemical and environmental studies, with special focus on their interaction with metal ions, are highlighted and critically reviewed. Using chemical speciation simulations, based on the current knowledge of the metal–buffer stability constants, a proposal of the most adequate buffer to employ for a given metal ion is presented.

Use of a fluorescence-based approach to assess short-term responses of the alga Pseudokirchneriella subcapitata to metal stress

This work explores the use of fluorescent probes to evaluate the responses of the green alga Pseudokirchneriella subcapitata to the action of three nominal concentrations of Cd(II), Cr(VI), Cu(II) and Zn(II) for a short time (6 h). The toxic effect of the metals on algal cells was monitored using the fluorochromes SYTOX Green (SG, membrane integrity), fluorescein diacetate (FDA, esterase activity) and rhodamine 123 (Rh123, mitochondrial membrane potential). The impact of metals on chlorophyll a (Chl a) autofluorescence was also evaluated. Esterase activity was the most sensitive parameter. At the concentrations studied, all metals induced the loss of esterase activity. SG could be used to effectively detect the loss of membrane integrity in algal cells exposed to 0.32 or 1.3 μmol L−1 Cu(II). Rh123 revealed a decrease in the mitochondrial membrane potential of algal cells exposed to 0.32 and 1.3 μmol L−1 Cu(II), indicating that mitochondrial activity was compromised. Chl a autofluorescence was also affected by the presence of Cr(VI) and Cu(II), suggesting perturbation of photosynthesis. In conclusion, the fluorescence-based approach was useful for detecting the disturbance of specific cellular characteristics. Fluorescent probes are a useful diagnostic tool for the assessment of the impact of toxicants on specific targets of P. subcapitata algal cells.

Responses of the alga Pseudokirchneriella subcapitata to long-term exposure to metal stress

The green alga Pseudokirchneriella subcapitata has been widely used in ecological risk assessment, usually based on the impact of the toxicants in the alga growth. However, the physiological causes that lead algal growth inhibition are not completely understood. This work aimed to evaluate the biochemical and structural modifications in P. subcapitata after exposure, for 72 h, to three nominal concentrations of Cd(II), Cr(VI), Cu(II) and Zn(II), corresponding approximately to 72 h-EC10 and 72 h-EC50 values and a high concentration (above 72 h-EC90 values). The incubation of algal cells with the highest concentration of Cd(II), Cr(VI) or Cu(II) resulted in a loss of membrane integrity of ~16, 38 and 55%, respectively. For all metals tested, an inhibition of esterase activity, in a dose-dependent manner, was observed. Reduction of chlorophyll a content, decrease of maximum quantum yield of photosystem II and modification of mitochondrial membrane potential was also verified. In conclusion, the exposure of P. subcapitata to metals resulted in a perturbation of the cell physiological status. Principal component analysis revealed that the impairment of esterase activity combined with the reduction of chlorophyll a content were related with the inhibition of growth caused by a prolonged exposure to the heavy metals.

Simulation of masonry out-of-plane failure modes by multi-body dynamics

The seismic assessment of the local failure modes in existing masonry buildings is currently based on the identification of the so-called local mechanisms, often associated with the out-of-plane wall behavior, whose stability is evaluated by static force-based approaches and, more recently, by some displacement-based proposals. Local mechanisms consist of kinematic chains of masonry portions, often regarded as rigid bodies, with geometric nonlinearity and concentrated nonlinearity in predefined contact regions (unilateral no-tension behavior, possible sliding with friction). In this work, the dynamic behavior of local mechanisms is simulated through multi-body dynamics, to obtain the nonlinear response with efficient time history analyses that directly take into account the characteristics of the ground motion. The amplification/filtering effects of the structure are considered within the input motion. The proposed approach is validated with experimental results of two full-scale shaking-table tests on stone masonry buildings: a sacco-stone masonry façade tested at Laboratório Nacional de Engenharia Civil and a two-storey double-leaf masonry building tested at European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering (EUCENTRE).

Gestão de Recursos Energéticos para Apoio à Operação dos Virtual Power Players

A liberalização dos mercados de energia elétrica e a crescente integração dos recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição, nomeadamente as unidades de produção distribuída, os sistemas de controlo de cargas através dos programas de demand response, os sistemas de armazenamento e os veículos elétricos, representaram uma evolução no paradigma de operação e gestão dos sistemas elétricos. Este novo paradigma de operação impõe o desenvolvimento de novas metodologias de gestão e controlo que permitam a integração de todas as novas tecnologias de forma eficiente e sustentável. O principal contributo deste trabalho reside no desenvolvimento de metodologias para a gestão de recursos energéticos no contexto de redes inteligentes, que contemplam três horizontes temporais distintos (24 horas, 1 hora e 5 minutos). As metodologias consideram os escalonamentos anteriores assim como as previsões atualizadas de forma a melhorar o desempenho total do sistema e consequentemente aumentar a rentabilidade dos agentes agregadores. As metodologias propostas foram integradas numa ferramenta de simulação, que servirá de apoio à decisão de uma entidade agregadora designada por virtual power player. Ao nível das metodologias desenvolvidas são propostos três algoritmos de gestão distintos, nomeadamente para a segunda (1 hora) e terceira fase (5 minutos) da ferramenta de gestão, diferenciados pela influência que os períodos antecedentes e seguintes têm no período em escalonamento. Outro aspeto relevante apresentado neste documento é o teste e a validação dos modelos propostos numa plataforma de simulação comercial. Para além das metodologias propostas, a aplicação permitiu validar os modelos dos equipamentos considerados, nomeadamente, ao nível das redes de distribuição e dos recursos energéticos distribuidos. Nesta dissertação são apresentados três casos de estudos, cada um com diferentes cenários referentes a cenários de operação futuros. Estes casos de estudos são importantes para verificar a viabilidade da implementação das metodologias e algoritmos propostos. Adicionalmente são apresentadas comparações das metodologias propostas relativamente aos resultados obtidos, complexidade de gestão em ambiente de simulação para as diferentes fases da ferramenta proposta e os benefícios e inconvenientes no uso da ferramenta proposta.

Estratégias de Comercialização de Potência como Medida de Eficiência Energética

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular “ Dissertação” do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o aumento crescente do número de consumidores de energia, é cada vez mais imperioso a adoção de medidas de racionalização e gestão dos consumos da energia elétrica. Existem diferentes tipos de dificuldades no planeamento e implementação de novas centrais produtoras de energia renovável, pelo que também por este motivo é cada vez mais importante adoção de medidas de gestão de consumos, quer ao nível dos clientes alimentados em média tensão como de baixa tensão. Desta forma será mais acessível a criação de padrões de eficiência energética elevados em toda a rede de distribuição de energia elétrica. Também a economia é afetada por uma fraca gestão dos consumos por parte dos clientes. Elevados desperdícios energéticos levam a que mais energia tenha que ser produzida, energia essa que contribui ainda mais para a elevada taxa de dependência energética em Portugal, e para o degradar da economia nacional. Coloca-se assim a necessidade de implementar planos e métodos que promovam a eficiência energética e a gestão racional de consumos de energia elétrica. Apresenta-se nesta dissertação várias propostas, algumas na forma de projetos já em execução, que visam sensibilizar o consumidor para a importância da utilização eficiente de energia e, ao mesmo tempo, disponibilizam as ferramentas tecnológicas adequadas para auxiliar a implementação dos métodos propostos. Embora os planos apresentados, sobejamente conhecidos, tenham imensa importância, a implementação nos vários consumidores de sistemas capazes de efetivamente reduzir consumos tem um papel fundamental. Equipamentos de gestão de consumos, que são apresentados nesta dissertação, permitem ao consumidor aceder diretamente ao seu consumo. Podem aceder não apenas ao consumo global da instalação mas também ao consumo específico por equipamento, permitindo perceber onde se verifica a situação mais desfavorável. Funcionalidades de programação de perfis tipo, com limitações de potência em vários períodos horários, bem como possibilidades de controlo remoto com recurso a aplicações para Smartphones permitem a redução de consumos ao nível da rede de distribuição e, desta forma, contribuir para a redução dos desperdícios e da dependência energética em Portugal. No âmbito do trabalho de dissertação é desenvolvida uma metodologia de comercialização de potência, que é apresentada nesta tese. Esta metodologia propõem que o consumidor, em função dos seus consumos, pague apenas a quantidade de potência que efetivamente necessita num certo período de tempo. Assim, o consumidor deixa de pagar uma tarifa mensal fixa associada á sua potência contratada, e passará a pagar um valor correspondente apenas à potência que efetivamente solicitou em todas as horas durante o mês. Nesta metodologia que é apresentada, o consumidor poderá também fazer uma análise do seu diagrama de cargas e simular uma alteração da sua tarifa, tarifa esta que varia entre tarifa simples, bi-horária semanal, bi-horária diária, tri-horária semanal ou tri-horária diária, de forma a perceber em qual destas pagará um menor valor pela mesma energia. De forma a que o consumidor possa perceber se haverá vantagem de uma alteração para uma potência contratada flexível, ou para uma outra tarifa associada á energia, tem ao seu dispor uma ferramenta, que em função dos seus consumos, permite retirar conclusões sobre o preço final a pagar na fatura, após cada tipo de alteração. Esta ferramenta foi validada com recurso a várias simulações, para diferentes perfis de consumidores. Desta forma, o utilizador fica a perceber que realmente pode poupar com uma potência contratada flexível, ao mesmo tempo que pode identificar-se com um perfil de simulação e, mais facilmente, perceber para que alteração tarifária pode usufruir de uma maior poupança.

Robot Manipulator Systems: Analysis and Control

Manipulator systems are rather complex and highly nonlinear which makes difficult their analysis and control. Classic system theory is veil known, however it is inadequate in the presence of strong nonlinear dynamics. Nonlinear controllers produce good results [1] and work has been done e. g. relating the manipulator nonlinear dynamics with frequency response [2–5]. Nevertheless, given the complexity of the problem, systematic methods which permit to draw conclusions about stability, imperfect modelling effects, compensation requirements, etc. are still lacking. In section 2 we start by analysing the variation of the poles and zeros of the descriptive transfer functions of a robot manipulator in order to motivate the development of more robust (and computationally efficient) control algorithms. Based on this analysis a new multirate controller which is an improvement of the well known “computed torque controller” [6] is announced in section 3. Some research in this area was done by Neuman [7,8] showing tbat better robustness is possible if the basic controller structure is modified. The present study stems from those ideas, and attempts to give a systematic treatment, which results in easy to use standard engineering tools. Finally, in section 4 conclusions are presented.