Inspecção, diagnóstico e projecto no âmbito da reabilitação de edifícios antigos do Porto

Mestre em Engenharia Civil - Especialização em Estruturas

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Inspeção e reabilitação de estruturas de betão armado

O setor da reabilitação em Portugal tem vindo a crescer consideravelmente ao longo dos últimos anos, demonstrando uma consciencialização da sociedade e das entidades competentes para definição de estratégias e planeamento, para uma manutenção das estruturas atempada de modo a prevenir patologias que provocam a sua degradação. O presente trabalho pretende fazer uma síntese das técnicas de proteção e reparação das estruturas de betão armado, efetuando também ensaios para determinação das causas das anomalias que levaram à sua reparação. O projeto de reabilitação deve seguir as recomendações indicadas nos Eurocódigos e norma EN1504 sobre produtos e sistemas para a proteção e reparação das estruturas de betão. Segundo esta norma explicam – se as principais causas de deterioração das estruturas de betão armado e os sintomas que estão na base dessa deterioração. Desta forma são descritos os métodos de intervenção, explicando o seu funcionamento e modo mais adequado de utilização com indicação dos produtos adequados para cada intervenção. Para aplicação do referido nos parágrafos anteriores desenvolveu-se uma proposta de fichas de inspeção, através de levantamento fotográfico e registo das anomalias e suas causas e ensaios não destrutivos de modo a perceber o estado atual da estrutura para uma melhor compreensão da metodologia de reparação a seguir

Caracterização de perfis pultrudidos Híbridos

A pultrusão é uma técnica já sobejamente conhecida de produção de perfis de secção constante, tais como barras, cantoneiras, perfis estruturais ou tubos, em materiais compósitos de matriz polimérica. A necessidade de, em determinadas aplicações, utilizar perfis que proporcionem melhor isolamento térmico, melhor isolamento acústico ou possuam um momento de inércia ligeiramente superior, sem que o peso próprio seja significativamente afectado, levou à produção de perfis pultrudidos híbridos, com núcleos baseados em pré-formas ou na alimentação contínua de resíduos. Realizados os protótipos seguindo as metodologias acima descritas, urge verificar se as propriedades dos perfis híbridos correspondem às expectativas inicialmente neles depositadas, através de testes destrutivos e não-destrutivos. Assim, foram realizados testes à tracção, à compressão e à flexão, no intuito de verificar os ganhos conseguidos e poder analisar o valor-acrescentado trazido por estes novos perfis em termos estruturais. Estes valores, depois de devidamente validados, permitirão a sua inserção em bases de dados agregadas a programas de cálculo estrutural, que efectuam de forma automática o dimensionamento de estruturas baseadas em perfis desta natureza. Complementarmente, foram realizados testes de isolamento térmico e acústico, com vista a quantificar a melhoria conseguida nestas propriedades, extremamente importantes em determinados tipos de aplicações ligadas à construção civil e obras públicas.

Study of polycrystalline Cu2ZnSnS4 films by Raman scattering

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is a p-type semiconductor that has been seen as a possible low-cost replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. So far compound has presented difficulties in its growth, mainly, because of the formation of secondary phases like ZnS, CuxSnSx+1, SnxSy, Cu2−xS and MoS2. X-ray diffraction analysis (XRD), which is mostly used for phase identification cannot resolve some of these phases from the kesterite/stannite CZTS and thus the use of a complementary technique is needed. Raman scattering analysis can help distinguishing these phases not only laterally but also in depth. Knowing the absorption coefficient and using different excitation wavelengths in Raman scattering analysis, one is capable of profiling the different phases present in multi-phase CZTS thin films. This work describes in a concise form the methods used to grow chalcogenide compounds, such as, CZTS, CuxSnSx+1, SnxSy and cubic ZnS based on the sulphurization of stacked metallic precursors. The results of the films’ characterization by XRD, electron backscatter diffraction and scanning electron microscopy/energy dispersive spectroscopy techniques are presented for the CZTS phase. The limitation of XRD to identify some of the possible phases that can remain after the sulphurization process are investigated. The results of the Raman analysis of the phases formed in this growth method and the advantage of using this technique in identifying them are presented. Using different excitation wavelengths it is also analysed the CZTS film in depth showing that this technique can be used as non destructive methods to detect secondary phases.

Wear resistance of TiAlSiN thin coatings

In the last decades TiAlN coatings deposited by PVD techniques have been extensively investigated but, nowadays, their potential development for tribological applications is relatively low. However, new coatings are emerging based on them, trying to improve wear behavior. TiAlSiN thin coatings are now investigated, analyzing if Si introduction increases the wear resistance of PVD films. Attending to the application, several wear test configurations has been recently used by some researchers. In this work, TiAlSiN thin coatings were produced by PVD Unbalanced Magnetron Sputtering technique and they were conveniently characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM) provided with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA), Micro Hardness (MH) and Scratch Test Analysis. Properties as morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and film adhesion to the substrate were investigated. Concerning to wear characterization, two very different ways were chosen: micro-abrasion with ball-on-flat configuration and industrial non-standardized tests based on samples inserted in a feed channel of a selected plastic injection mould working with 30% (wt.) glass fiber reinforced polypropylene. TiAlSiN coatings with a small amount of about 5% (wt.) Si showed a similar wear behavior when compared with TiAlN reported performances, denoting that Si addition does not improve the wear performance of the TiAlN coatings in these wear test conditions.

Delamination analysis of carbon fibre reinforced laminates: evaluation of a special step drill

Drilling of carbon fibre/epoxy laminates is usually carried out using standard drills. However, it is necessary to adapt the processes and/or tooling as the risk of delamination, or other damages, is high. These problems can affect mechanical properties of produced parts, therefore, lower reliability. In this paper, four different drills – three commercial and a special step (prototype) – are compared in terms of thrust force during drilling and delamination. In order to evaluate damage, enhanced radiography is applied. The resulting images were then computational processed using a previously developed image processing and analysis platform. Results show that the prototype drill had encouraging results in terms of maximum thrust force and delamination reduction. Furthermore, it is possible to state that a correct choice of drill geometry, particularly the use of a pilot hole, a conservative cutting speed – 53 m/min – and a low feed rate – 0.025 mm/rev – can help to prevent delamination.

The influence of the boundary conditions on low-velocity impact composite damage

The objective of this work was to study the influence of the boundary conditions on low-velocity impact behaviour of carbon-epoxy composite plates. Experimental work and numerical analysis were performed on [04,904]s laminates. The influence of different boundary conditions on the impacted plates was analysed considering rectangular and square plates. The X-radiography was used as a non-destructive technique to evaluate the internal damage caused by impact loading. A three-dimensional numerical analysis was also performed considering progressive damage modelling. The model includes three-dimensional solid elements and interface finite elements including a cohesive mixed-mode damage model, which allows simulating delamination between different oriented layers. It was verified that plate’s boundary conditions have influence on the delaminated area. Good agreement between experimental and numerical analysis for shape, orientation and size of the delamination was obtained.

Diagnóstico e avaliação da segurança de estruturas de madeira existentes

A utilização da madeira enquanto material estrutural é um aspeto abordado com algum receio ou até desconhecimento por parte dos elementos intervenientes no processo de construção civil, sendo ainda uma área pouco lecionada e muitas vezes excluída dos planos curriculares em Engenharia Civil. Assim sendo é importante o surgimento de trabalhos relacionados com esta matéria, relembrando ao sector da construção civil e ao ramo de estudo relacionado, que a madeira já teve e possivelmente voltará a ter um papel importante a desempenhar na área da construção. Um dos aspetos evidenciados nos estudos realizados consiste na importância da reabilitação de edifícios e do seu papel cada vez mais determinante na sociedade. Esta metodologia de intervenção apresenta-se muitas vezes como uma vantagem económica assim como contribui para a preservação do património arquitetónico e cultural, cujo valor histórico é incalculável. A importância da reabilitação de edifícios habitacionais nas zonas históricas, bem como de monumentos de grande importância cultural apresenta-se cada vez mais como um desafio devido à falta de conservação dos mesmos ao longo da sua vida útil, e da necessidade de preservar a identidade do local, beneficiando assim a qualidade do tecido urbano. Assim sendo, este trabalho apresenta um levantamento dos danos possíveis de ocorrer em elementos de madeira, dando especial destaque aos agentes patológicos e às consequências da sua atividade na madeira assim como às metodologias de inspeção e diagnóstico que poderão ser aplicadas em estruturas de madeira existentes, favorecendo assim a vertente da reabilitação ao invés da demolição. Estas metodologias recorrem a ensaios não destrutivos, como é exemplo o Pilodyn, o Resistógrafo, o Ultra-sons, etc., referindo também o recurso a ensaios destrutivos, cuja utilização terá de ser uma questão muito bem ponderada devido às consequências que implica. Por fim, apresenta-se um caso real de estudo em que se analisa um pavimento em madeira através da aplicação de metodologias de ensaio não destrutivas e destrutivas a amostras recolhidas. O objetivo será determinar o estado de conservação da madeira e algumas características físicas tais como a sua densidade e os módulos de elasticidade, sendo posteriormente efetuada uma análise estrutural. Os resultados obtidos permitem efetuar uma avaliação qualitativa do estado geral do pavimento sendo as principais conclusões que o pavimento se encontra atacado por parte de insetos xilófagos e apresenta problemas a nível de verificação a estados limite de utilização, deformação e vibração, fator que condiciona a possível utilização do pavimento.

Uso da termografia na deteção de avarias

A civilização contemporânea, pelas suas características, é muito exigente em tudo o que diz respeito ao conforto dos edifícios, para trabalho ou habitação, e à necessidade de economizar e racionalizar o uso de energia. A térmica dos edifícios assume, por isso, uma importância acrescida na atividade profissional e no ensino. Para se conduzir ao aperfeiçoamento de soluções na envolvente dos edifícios a este nível, o trabalho aqui realizado centrou-se no estudo do funcionamento da termografia de infravermelhos e da importância da sua utilização na inspeção térmica de edifícios. Descoberta no início do século XIX e desenvolvendo os primeiros sistemas operativos desde a 1ª Guerra Mundial, a fim de determinar heterogeneidades de temperatura superficial, esta técnica não destrutiva permite identificar anomalias que não são visualizadas a olho nu. Com a análise dessas variações de temperatura é possível conhecer os problemas e a localização de irregularidades. Este trabalho baseia-se substancialmente no estudo de edifícios. A análise realizada teve como finalidade executar inspeções termográficas – visuais, com duas abordagens. Por um lado, avaliar salas pertencentes a estabelecimentos de ensino secundário, reabilitadas e não reabilitadas, todas construídas entre as décadas de 60 e 90, com o intuito de diagnosticar patologias construtivas, recorrendo à termografia. Por outro, a análise de edifícios de habitação, com a intenção de avaliar a necessidade de um equipamento complementar às inspeções termográficas – o sistema de porta ventiladora. As inspeções foram regidas pelas diretrizes da norma europeia EN 13187. A termografia é uma técnica importante na realização de ensaios in situ que requerem rapidez de execução, aliada à vantagem de disponibilizar resultados em tempo real, permitindo assim uma primeira análise das leituras no local. A inspeção termográfica complementada com o sistema de porta ventiladora permitiu, também, revelar a importância da necessidade de meios auxiliares em certos casos. A conjugação destas diferentes técnicas permite reduzir a subjetividade da análise in situ e aumentar a fiabilidade do diagnóstico.