Uncertainty assessment approach for composite structures based on global sensitivity indices

The problem of uncertainty propagation in composite laminate structures is studied. An approach based on the optimal design of composite structures to achieve a target reliability level is proposed. Using the Uniform Design Method (UDM), a set of design points is generated over a design domain centred at mean values of random variables, aimed at studying the space variability. The most critical Tsai number, the structural reliability index and the sensitivities are obtained for each UDM design point, using the maximum load obtained from optimal design search. Using the UDM design points as input/output patterns, an Artificial Neural Network (ANN) is developed based on supervised evolutionary learning. Finally, using the developed ANN a Monte Carlo simulation procedure is implemented and the variability of the structural response based on global sensitivity analysis (GSA) is studied. The GSA is based on the first order Sobol indices and relative sensitivities. An appropriate GSA algorithm aiming to obtain Sobol indices is proposed. The most important sources of uncertainty are identified.

From local to global importance measures of uncertainty propagation in composite structures

The influence of uncertainties of input parameters on output response of composite structures is investigated in this paper. In particular, the effects of deviations in mechanical properties, ply angles, ply thickness and on applied loads are studied. The uncertainty propagation and the importance measure of input parameters are analysed using three different approaches: a first-order local method, a Global Sensitivity Analysis (GSA) supported by a variance-based method and an extension of local variance to estimate the global variance over the domain of inputs. Sample results are shown for a shell composite laminated structure built with different composite systems including multi-materials. The importance measures of input parameters on structural response based on numerical results are established and discussed as a function of the anisotropy of composite materials. Needs for global variance methods are discussed by comparing the results obtained from different proposed methodologies. The objective of this paper is to contribute for the use of GSA techniques together with low expensive local importance measures.

An uncertainty and sensitivity analysis applied to the prioritisation of pharmaceuticals as surface water contaminants from wastewater treatment plant direct emissions

In this study, the concentration probability distributions of 82 pharmaceutical compounds detected in the effluents of 179 European wastewater treatment plants were computed and inserted into a multimedia fate model. The comparative ecotoxicological impact of the direct emission of these compounds from wastewater treatment plants on freshwater ecosystems, based on a potentially affected fraction (PAF) of species approach, was assessed to rank compounds based on priority. As many pharmaceuticals are acids or bases, the multimedia fate model accounts for regressions to estimate pH-dependent fate parameters. An uncertainty analysis was performed by means of Monte Carlo analysis, which included the uncertainty of fate and ecotoxicity model input variables, as well as the spatial variability of landscape characteristics on the European continental scale. Several pharmaceutical compounds were identified as being of greatest concern, including 7 analgesics/anti-inflammatories, 3 β-blockers, 3 psychiatric drugs, and 1 each of 6 other therapeutic classes. The fate and impact modelling relied extensively on estimated data, given that most of these compounds have little or no experimental fate or ecotoxicity data available, as well as a limited reported occurrence in effluents. The contribution of estimated model input variables to the variance of freshwater ecotoxicity impact, as well as the lack of experimental abiotic degradation data for most compounds, helped in establishing priorities for further testing. Generally, the effluent concentration and the ecotoxicity effect factor were the model input variables with the most significant effect on the uncertainty of output results.

Analysis of temperature time-series: embedding dynamics into the MDS method

Global warming and the associated climate changes are being the subject of intensive research due to their major impact on social, economic and health aspects of the human life. Surface temperature time-series characterise Earth as a slow dynamics spatiotemporal system, evidencing long memory behaviour, typical of fractional order systems. Such phenomena are difficult to model and analyse, demanding for alternative approaches. This paper studies the complex correlations between global temperature time-series using the Multidimensional scaling (MDS) approach. MDS provides a graphical representation of the pattern of climatic similarities between regions around the globe. The similarities are quantified through two mathematical indices that correlate the monthly average temperatures observed in meteorological stations, over a given period of time. Furthermore, time dynamics is analysed by performing the MDS analysis over slices sampling the time series. MDS generates maps describing the stations’ locus in the perspective that, if they are perceived to be similar to each other, then they are placed on the map forming clusters. We show that MDS provides an intuitive and useful visual representation of the complex relationships that are present among temperature time-series, which are not perceived on traditional geographic maps. Moreover, MDS avoids sensitivity to the irregular distribution density of the meteorological stations.

Uncertainty analysis based on sensitivity applied to angle-ply composite structures

This article describes a finite element-based formulation for the statistical analysis of the response of stochastic structural composite systems whose material properties are described by random fields. A first-order technique is used to obtain the second-order statistics for the structural response considering means and variances of the displacement and stress fields of plate or shell composite structures. Propagation of uncertainties depends on sensitivities taken as measurement of variation effects. The adjoint variable method is used to obtain the sensitivity matrix. This method is appropriated for composite structures due to the large number of random input parameters. Dominant effects on the stochastic characteristics are studied analyzing the influence of different random parameters. In particular, a study of the anisotropy influence on uncertainties propagation of angle-ply composites is carried out based on the proposed approach.

A sensitivity study of the WRF model in wind simulation for an area of high wind energy

The performance of the Weather Research and Forecast (WRF) model in wind simulation was evaluated under different numerical and physical options for an area of Portugal, located in complex terrain and characterized by its significant wind energy resource. The grid nudging and integration time of the simulations were the tested numerical options. Since the goal is to simulate the near-surface wind, the physical parameterization schemes regarding the boundary layer were the ones under evaluation. Also, the influences of the local terrain complexity and simulation domain resolution on the model results were also studied. Data from three wind measuring stations located within the chosen area were compared with the model results, in terms of Root Mean Square Error, Standard Deviation Error and Bias. Wind speed histograms, occurrences and energy wind roses were also used for model evaluation. Globally, the model accurately reproduced the local wind regime, despite a significant underestimation of the wind speed. The wind direction is reasonably simulated by the model especially in wind regimes where there is a clear dominant sector, but in the presence of low wind speeds the characterization of the wind direction (observed and simulated) is very subjective and led to higher deviations between simulations and observations. Within the tested options, results show that the use of grid nudging in simulations that should not exceed an integration time of 2 days is the best numerical configuration, and the parameterization set composed by the physical schemes MM5–Yonsei University–Noah are the most suitable for this site. Results were poorer in sites with higher terrain complexity, mainly due to limitations of the terrain data supplied to the model. The increase of the simulation domain resolution alone is not enough to significantly improve the model performance. Results suggest that error minimization in the wind simulation can be achieved by testing and choosing a suitable numerical and physical configuration for the region of interest together with the use of high resolution terrain data, if available.

Estudo de atirantamentos ancorados no plano perpendicular às fachadas de Alvenaria. Análise de proposta de dimensionamento

O conceito de atirantamento surgiu no contexto de promover a interação global dos edifícios, nomeadamente, estabelecer as referidas ligações, de modo a prevenir o derrubamento para o exterior das paredes de fachada, perante a ocorrência de ação sísmica ou assentamento das fundações. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo, estudar o comportamento dos atirantamentos ancorados no plano perpendicular das fachadas, quando solicitados à tração. No entanto, como as alvenarias são elementos heterogéneos, houve necessidade de desarticular os atirantamentos e estudar cada uma das partes que o compõe: tirantes injetados em alvenarias e sistemas de ancoragem. Em primeiro lugar, foi elaborado um estudo preliminar sobre tirantes injetados em alvenarias, o qual incidiu no seu dimensionamento, na análise de sensibilidade, apresentação de um caso de estudo e comparação de resultados. Numa segunda fase fez-se uma revisão bibliográfica dos tipos de Sistemas de Ancoragens mais comuns, onde foram mencionados alguns aspetos, nomeadamente a importância, o objetivo e condições da sua aplicação. Por último, associaram-se as duas componentes e foram estudados os Atirantamentos. Fezse um estudo da sua utilização e do seu interesse de aplicação. Foi também analisada uma forma de metodologia de dimensionamento, quando inseridos em alvenarias de tijolo e pedra. Finalizado este estudo foram traçadas as conclusões e sugeridas perspetivas futuras.

Análise do ciclo de vida da produção do butanol

Este trabalho teve como objetivo avaliar e comparar os impactes ambientais da produção do butanol considerando três processos produtivos: um que usa fontes fósseis e dois que usam fontes renováveis, nomeadamente palha de trigo e milho. Para o primeiro caso considerouse o processo oxo e os restantes usaram o processo de produção ABE (acetona, butanol e etanol). Na primeira etapa estudaram-se e descreveram-se os diferentes processos referidos. A análise do ciclo de vida foi depois aplicada efetuando as quatro fases nomeadamente definição do âmbito e objetivo, inventário, avaliação de impactes e interpretação dos resultados obtidos. O inventário foi efetuado tendo em conta a bibliografia existente sobre estes processos e com o auxílio da base de dados Ecoinvent Versão3 Database™. Na avaliação de impactes utilizou-se o método Impact 2002 + (Endpoint). Concluiu-se que a produção do butanol pelo processo ABE utilizando o milho é a que apresenta maior impacte ambiental e a que produção do butanol pelo processo ABE usando a palha de trigo é a que apresenta um menor impacte ambiental, quando o processo de alocação foi efetuado tendo em conta as massas de todos os produtos produzidos em cada processo. Foi efetuada uma análise de sensibilidade para a produção de butanol usando palha de trigo e milho relativa aos dados de menor qualidade. No processo da palha de trigo fez-se variar a quantidade de material enviado para a digestão anaeróbia e a quantidade de efluente produzida. No processo relativo ao milho apenas se fez variar a quantidade de efluente produzida. As variações tiveram um efeito pouco significativo (<1,3%) no impacte global. Por fim, efetuou-se o cálculo dos impactes considerando uma alocação económica que foi executada tendo em conta os preços de venda para o ano 2013 na Europa, para os produtos produzidos pelos diferentes processos. Considerando o valor económico verificou-se um aumento do peso relativo ao butanol, o que fez aumentar significativamente o impacte ambiental. Isto deve-se em grande parte ao baixo valor económico dos gases formados nos processos de fermentação. Se na alocação por massa for retirada a massa destes gases os resultados obtidos são similares nos dois tipos de alocação.

Comparison of allocation approaches in soybean biodiesel life cycle assessment

This work shows the influence of using different allocation approaches when modelling the inventory analysis in a soybean biodiesel life cycle assessment (LCA). Results obtained using mass, energy and economic based allocations are compared, focusing on the following aspects: normalised potential environmental impact (PEI) categories, total PEI and relative contributions to the total PEI from each life cycle stage and environmental impact category. Similar results are obtained either using economic and energy based allocations. However, different results are obtained when mass based allocation is used when compared with the other two. This study also illustrates that using different allocation approaches in biodiesel LCA may influence the final conclusions, especially in comparative assertions, emphasising the need to perform a sensitivity analysis in the LCA interpretation step.

Análise de sensibilidade na simulação dinâmica de um grande edifício escolar existente

Dado o panorama de conservação de energia a nível nacional e mundial, torna-se hoje em dia muito importante, que seja possível controlar e estimar o consumo energético nos edifícios. Assim, atendendo à actual problemática energética e ao crescente consumo energético nos edifícios, é importante parametrizar, avaliar e comparar este consumo. Neste sentido, nas últimas décadas, têm sido efectuados desenvolvimentos técnicos, quer ao nível do equipamento de campo para efectuar monitorização e medição, quer ao nível da simulação dinâmica de edifícios. Com esta dissertação de mestrado, pretendeu-se efectuar a simulação dinâmica de um edifício escolar existente a funcionar em pleno, e efectuar uma análise de sensibilidade relativamente ao grau de variação dos resultados obtidos através da aplicação de dois programas de cálculo térmico e energético. Foram utilizados, o programa VE-Pro da IES (Integrated Environmental Solutions) e o programa Trace 700 da TRANE. Ambos os programas foram parametrizados com os mesmos dados de entrada, tendo em atenção as opções de simulação disponibilizadas por ambos. Posteriormente, utilizaram-se os dados retirados da simulação para calcular a classificação energética no âmbito do sistema de certificação energética (SCE), através de uma folha de cálculo desenvolvida para o efeito. Foram ainda consideradas várias soluções de eficiência energética para o edifício, com vista a poupanças reais de energia, tendo sempre atenção ao conforto térmico dos ocupantes. Dessas medidas fazem parte, medidas relacionadas com a iluminação, como a substituição da iluminação existente por luminárias do tipo LED (Light Emitting Diode), soluções de energias renováveis, como a instalação de colectores solares para aquecimento das águas quentes sanitárias, e painéis fotovoltaicos para produção de energia, bem como medidas ligadas aos equipamentos de climatização. Posteriormente, recalculou-se a classificação energética afectada das melhorias. Os resultados obtidos nas duas simulações foram analisados sob o ponto de vista do aquecimento, arrefecimento, ventilação, iluminação e equipamentos eléctricos. A comparação das duas simulações para cada parâmetro acima referido, apresentaram variações inferiores a 5%. O desvio maior verificou-se na ventilação, com o valor de aproximadamente 4,9%. Transpondo estes resultados para o cálculo do IEE (Índice de Eficiência Energética), verificou-se um desvio inferior a 2%.

Análise dos sistemas termo-solares de produção de energia eléctrica

Actualmente a humanidade depara-se com um dos grandes desafios que é o de efectivar a transição para um futuro sustentável. Logo, o sector da energia tem um papel chave neste processo de transição, com principal destaque para a energia solar, tendo em conta que é uma das fontes de energias renováveis mais promissoras, podendo no médiolongo prazo, tornar-se uma das principais fontes de energia no panorama energético dos países. A energia solar térmica de concentração (CSP), apesar não ser ainda conhecida em Portugal, possui um potencial relevante em regiões específicas do nosso território. Logo, o objectivo deste trabalho é efectuar uma análise detalhada dos sistemas solares de concentração para produção de energia eléctrica, abordando temas, tais como, o potencial da energia solar, a definição do processo de concentração solar, a descrição das tecnologias existentes, o estado da arte do CSP, mercado CSP no mundo, e por último, a análise da viabilidade técnico-económica da instalação de uma central tipo torre solar de 20 MW, em Portugal. Para que este objectivo fosse exequível, recorreu-se à utilização de um software de simulação termodinâmica de centrais CSP, denominado por Solar Advisor Model (SAM). O caso prático foi desenvolvido para a cidade de Faro, onde foram simuladas quatro configurações distintas para uma central do tipo torre solar de 20 MW. Foram apresentados resultados, focando a desempenho diário e anual da central. Foi efectuada uma análise para avaliação da influência da variabilidade dos parâmetros, localização geográfica, múltiplo solar, capacidade de armazenamento de calor e fracção de hibridização sobre o custo nivelado da energia (LCOE), o factor de capacidade e a produção anual de energia. Conjuntamente, é apresentada uma análise de sensibilidade, com a finalidade de averiguar quais os parâmetros que influenciam de forma mais predominante o valor do LCOE. Por último, é apresentada uma análise de viabilidade económica de um investimento deste tipo.

Aplicação de um método de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fratura em corte de adesivos estruturais

Qualquer estrutura hoje em dia deve ser resistente, robusta e leve, o que aumentou o interesse industrial e investigação nas ligações adesivas, nomeadamente pela melhoria das propriedades de resistência e fratura dos materiais. Com esta técnica de união, o projeto de estruturas pode ser orientado para estruturas mais leves, não só em relação à economia direta de peso relativamente às juntas aparafusas ou soldadas, mas também por causa da flexibilidade para ligar materiais diferentes. Em qualquer área da indústria, a aplicação em larga escala de uma determinada técnica de ligação supõe que estão disponíveis ferramentas confiáveis para o projeto e previsão da rotura. Neste âmbito, Modelos de Dano Coesivo (MDC) são uma ferramenta essencial, embora seja necessário estimar as leis MDC do adesivo à tração e corte para entrada nos modelos numéricos. Este trabalho avalia o valor da tenacidade ao corte (GIIC) de juntas coladas para três adesivos com ductilidade distinta. O trabalho experimental consiste na caracterização à fratura ao corte da ligação adesiva por métodos convencionais e pelo Integral-J. Além disso, pelo integral-J, é possível definir a forma exata da lei coesiva. Para o integral-J, é utilizado um método de correlação de imagem digital anteriormente desenvolvido para a avaliação do deslocamento ao corte do adesivo na extremidade da fenda (δs) durante o ensaio, acoplado a uma sub-rotina em Matlab® para a extração automática de δs. É também apresentado um trabalho numérico para avaliar a adequabilidade de leis coesivas triangulares aproximadas em reproduzir as curvas força-deslocamento (P-δ) experimentais dos ensaios ENF. Também se apresenta uma análise de sensibilidade para compreender a influência dos parâmetros coesivos nas previsões numéricas. Como resultado deste trabalho, foram estimadas experimentalmente as leis coesivas de cada adesivo pelo método direto, e numericamente validadas, para posterior previsão de resistência em juntas adesivas. Em conjunto com a caraterização à tração destes adesivos, é possível a previsão da rotura em modo-misto.

Materiais e dispositivos sensores para a Norfloxacina

O trabalho consistiu no desenvolvimento e caracterização de sensores potenciométricos com base em polímeros de impressão molecular para a determinação de um antibiótico, a norfloxacina, em aquacultura. A simplicidade, o baixo custo e a interação rápida e reversível dos sensores potenciométricos com os analitos fizeram com que este fosse o tipo de sensor escolhido. O material sensor foi obtido por tecnologia de impressão molecular, baseada em polimerização em bulk, em que a NOR foi a molécula molde e foram utilizados como monómeros para autoconstrução dos sensores o pirrol, isoladamente, ou em conjunto com partículas de sílica gel funcionalizadas com 3-aminopropil. Também foi obtido material sensor, para controlo, em que a molécula molde NOR não estava presente (NIP). As características dos materiais sensores foram sujeitas a análise de microscopia eletrónica SEM e análise por espectrómetro de infravermelhos com transformada de Fourier. Os materiais sensores foram incluídos em membranas poliméricas, que seriam incorporadas em elétrodos. A avaliação do desempenho dos elétrodos foi feita através de curvas de calibração em diferentes meios (PBS, MES e HEPES). Também foi efetuada com sucesso a análise da sensibilidade dos elétrodos em água dopada. As diversas avaliações e análises efetuadas levaram a concluir que o MIP de pirrol com aditivo aniónico, foi o material sensor testado que permitiu obter melhores propriedades de resposta.