Using a cohesive damage model to predict the tensile behaviour of CFRP single-strap repairs

This work addresses both experimental and numerical analyses regarding the tensile behaviour of CFRP single-strap repairs. Two fundamental geometrical parameters were studied: overlap length and patch thickness. The numerical model used ABAQUS® software and a developed cohesive mixed-mode damage model adequate for ductile adhesives, and implemented within interface finite elements. Stress analyses and strength predictions were carried out. Experimental and numerical comparisons were performed on failure modes, failure load and equivalent stiffness of the repair. Good correlation was found between experimental and numerical results, showing that the proposed model can be successfully applied to bonded joints or repairs.

Análise de fadiga de uma ponte ferroviária com tabuleiro misto vigado sob ação de tráfego de mercadorias

A presente dissertação centra-se no estudo de fadiga de uma ponte ferroviária com tabuleiro misto vigado pertencente a uma via de transporte de mercadorias. O caso de estudo incide sobre a ponte ferroviária sobre o rio do Sonho, localizada na Estrada de Ferro de Carajás situada no nordeste do Brasil. Nesta linha circulam alguns dos maiores comboios de mercadoria do mundo com cerca de 3.7 km de extensão e com cargas por eixo superiores a 300 kN. Numa primeira fase apresentam-se diversas metodologias de análise da fadiga em pontes ferroviárias metálicas. É também descrita a ferramenta computacional FADBridge, desenvolvida em ambiente MATLAB, e que possibilita o cálculo sistematizado e eficiente do dano de fadiga em detalhes construtivos de acordo com as indicações dos eurocódigos. Em seguida são abordadas as metodologias numéricas utilizadas para a realização das análises dinâmicas do sistema ponte-comboio e os aspetos regulamentares a ter em consideração no dimensionamento de pontes ferroviárias. O modelo numérico de elementos finitos da ponte foi realizado com recurso ao programa ANSYS. Com base neste modelo foram obtidos os parâmetros modais, nomeadamente as frequências naturais e os modos de vibração, tendo sido também analisada a importância do efeito compósito via-tabuleiro e a influência do comportamento não linear do balastro. O estudo do comportamento dinâmico da ponte foi realizado por intermédio de uma metodologia de cargas móveis através da ferramenta computacional Train-Bridge Interaction (TBI). As análises dinâmicas foram efetuadas para a passagem dos comboios reais de mercadorias e de passageiros e para os comboios de fadiga regulamentares. Nestas análises foi estudada a influência dos modos de vibração globais e locais, das configurações de carga dos comboios e do aumento da velocidade de circulação, na resposta dinâmica da ponte. Por último, foi avaliado o comportamento à fadiga de diversos detalhes construtivos para os cenários de tráfego regulamentar e reais. Foi ainda analisada a influência do aumento da velocidade, da configuração de cargas dos comboios e da degradação da estrutura nos valores do dano por fadiga e da respetiva vida residual.

Estruturas de Suporte de Terras Executadas com Pneus - Modelo à Escala Reduzida

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo de Estruturas

Análise numérica e experimental de um modelo dinâmico da ponte ferroviária de Antuã

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo Estruturas

Ligação Adesiva de Polímeros Particularmente Difíceis de Colar

As ligações adesivas têm sido cada vez mais utilizadas nos últimos anos em detrimento de outros métodos tais como a soldadura, ligações aparafusadas e ligações rebitadas. Os plásticos de Engenharia têm um papel cada vez mais preponderante na indústria, devido às suas excelentes propriedades. Neste trabalho foram considerados três polímeros diferentes, o Policloreto de Vinilo (PVC) e o Polipropileno (PP) dado o seu baixo custo e peso e a superfície quimicamente inerte e o Politetrafluoretileno (PTFE) devido às suas boas propriedades químicas e excelentes propriedades de deslizamento. No entanto, estes materiais possuem uma baixa energia de superfície e, por isso, são muito difíceis de colar com mais relevância para o PTFE. Assim, após um estudo preliminar foi escolhido, para realizar as colagens necessárias, um adesivo da Tamarron Technology “Tam Tech Adhesive”, próprio para este tipo de substratos difíceis de colar. Posteriormente foi efetuada a sua caraterização através de ensaios de provetes maciços à tração. O principal objetivo deste trabalho foi estudar juntas de sobreposição simples de materiais poliméricos difíceis de colar tais como o PTFE, PP e PVC com recurso a um adesivo que não necessitasse de preparação de superfície. Foram fabricadas juntas de sobreposição simples (JSS) segundo os métodos Lap Shear (LS) e Block Shear (BS) dos três materiais referidos anteriormente e realizados os respetivos ensaios para avaliar o comportamento mecânico das ligações adesivas. Os materiais utilizados como substratos foram também submetidos a ensaios de tração com a finalidade de obter o módulo de elasticidade e as suas propriedades de resistência. Os substratos envolvidos nas juntas adesivas não sofreram qualquer preparação especial das superfícies. Na maioria dos casos consistiu apenas numa limpeza das superfícies com álcool etílico. Contudo, para o PTFE também se experimentou a preparação por abrasão com lixa e por chama. Foi também efetuado um trabalho de simulação numérica por elementos finitos utilizando um modelo de dano coesivo triangular. As resistências ao corte obtidas são superiores em BS comparativamente a LS, exceção feita aos substratos de PTFE aonde os resultados são similares. O tratamento por chama melhorou a resistência mecânica das juntas. Verificou-se também que o modelo numérico simulou adequadamente o comportamento das juntas principalmente das LS.

Projeto de um centro de roda para veículo de competição

A presente tese surgiu da cooperação entre a empresa Semog Racing e o Instituto Superior de Engenharia do Porto, no âmbito da unidade curricular de DPEST, englobado no 2º ano do Mestrado de Engenharia Mecânica, ramo de Construções Mecânicas. Esta dissertação tem como objetivo principal, o projeto de um novo centro de roda para substituir o existente num veículo de competição da Semog Racing. Este centro deverá ser dimensionado para suportar o peso do veículo e os esforços transmitidos à roda. Pretende-se igualmente que o novo modelo apresente um design apelativo e um baixo custo de produção para poder vir ser a comercializado. Na primeira fase, será estudado o centro de roda original fornecido pela Semog Racing. Este estudo engloba a modelação do componente através do software SolidWorks® e uma fase de simulações para diferentes condições de carregamento. O estudo será complementado com a realização de ensaios experimentais para validação do modelo numérico. A segunda fase é dedicada ao desenvolvimento do novo modelo de centro de roda, focando as características mecânicas e o design. Este tem como base o estudo numérico realizado para a roda original, tendo sempre como objetivo final garantir que o novo centro de roda cumpra todos os requisitos. O caminho seguido no processo de otimização é suportado em simulações numéricas pelo método dos elementos finitos, o qual permite aferir quais os pontos críticos a corrigir. No final, será apresentado um novo modelo de centro de roda capaz de suportar as cargas previstas de serviço, que apresente um baixo custo de fabrico e design apelativo.

Modelação e reforço de vigas de betão armado com laminados de fibra de carbono

Com o atual estado da construção em Portugal, a reabilitação urbana é uma realidade. Com muitos dos edifícios a necessitarem de reforço, procurou-se abordar o comportamento real das estruturas, indo além da típica análise linear elástica. Desta forma, pretendeu-se aumentar o conhecimento acerca da modelação numérica não-linear de estruturas de betão armado, expondo modelos de cálculo relativamente simples e de fácil compreensão, com o objetivo de servir de base a uma avaliação da capacidade de carga de um elemento estrutural. O modelo de cálculo foi validado com recurso ao trabalho experimental de Bresler e Scordelis (1963). Analisou-se o comportamento até à rotura de três vigas ensaiadas à flexão. Posteriormente, foi realizado um estudo paramétrico de algumas propriedades do betão com vista à discussão do melhor de ajuste. Em seguida, já no campo do reforço estrutural, simulou-se numericamente vigas reforçadas com CFRP, com recurso à técnica EBR e NSM. Comparam-se os resultados numéricos com os ensaios experimentais de Cruz et al. (2011a). Avaliou-se ainda o desempenho de soluções alternativas com variações na área e comprimento dos laminados. Para finalizar, foi desenvolvida uma campanha experimental com diferentes áreas de reforço. Conceberam-se e executaram-se três vigas de betão armado sobre as quais se instalaram laminados de CFRP. Os resultados experimentais são apresentados e discutidos à luz dos resultados do respetivo modelo numérico. No cômputo geral, o presente trabalho permitiu aferir a validade de modelos não-lineares na previsão do comportamento efetivo das estruturas até à rotura. Assinala-se a concordância em vários resultados experimentais analisados. Ficaram também patentes os principais fenómenos ligados ao reforço de vigas com CFRP, focados nos respetivos modelos de cálculo e nos resultados experimentais apresentados.

Análise do comportamento de estruturas através de ensaios de carga

A engenharia civil, rege-se pela garantia de segurança e de funcionalidade das obras que projeta e executa. Para cumprir tais requisitos, é necessário durante a sua vida útil, no final da construção, reforço ou reabilitação, proceder à avaliação da conformidade entre o comportamento real da estrutura e os pressupostos subjacentes ao projeto. Esta dissertação tem como objetivo a compreensão e análise do comportamento estrutural da Ponte sobre o Rio Sorraia, através da realização de ensaios de carga apoiados pela conceção de um modelo numérico devidamente calibrado, capaz de simular a resposta da estrutura, o mais próximo possível do observável na realidade. Para alcançar o objetivo pré definido elencam-se as metodologias relevantes, descrevem-se os tipos de ensaios de carga realizados em pontes/viadutos e faz-se referência aos aparelhos de medição que estão na base da instrumentação aplicada em obras. Esta introdução foca-se ainda na modelação numérica, permitindo o conhecimento básico necessário para a criação e atualização de modelos numéricos de pontes. Relativamente ao caso de estudo expõe-se a realização do ensaio de carga, descrevendo todo o processo, bem como os resultados obtidos ao nível das grandezas de medição estudadas. Aqui é concebido um modelo numérico base da ponte, alvo de discussão ao nível do comportamento estrutural, baseada na validação dos resultados obtidos por via experimental, através da comparação com os obtidos por via numérica. Por fim, o estudo e seleção de diversos parâmetros da modelação, facultando a calibração do modelo numérico da ponte. Os resultados obtidos neste modelo comprovam o seu elevado potencial, no apoio à observação e compreensão do comportamento de estruturas através da realização de ensaios de carga. O sucesso da realização de uma análise do comportamento de estruturas, através de ensaios de carga, depende assim fundamentalmente, da correta execução do ensaio, da correta conceção e atualização do modelo numérico e da interligação entre os resultados experimentais e numéricos.

Avaliação do comportamento de uma ponte metálica centenária sujeita à ação de tráfego ferroviário ligeiro

A presente dissertação tem como objetivo principal a análise numérica do comportamento dinâmico de uma ponte ferroviária, sob ação de tráfego ligeiro ferroviário. Neste contexto são apresentados alguns fundamentos teóricos a ter em conta nestes domínios, visando uma melhor compreensão dos fenómenos existentes no comportamento dinâmico de pontes ferroviárias quando sujeitas ao tráfego. O caso de estudo teve como foco a ponte Luiz I, uma ponte metálica situada sobre o rio Douro, que liga as cidades do Porto e Vila Nova de Gaia, sob ação de tráfego ligeiro ferroviário no seu tabuleiro superior para a condição anterior aos trabalhos de reabilitação e reforço realizados entre 2004 e 2005. Para o efeito foi desenvolvido um modelo numérico de elementos finitos da ponte realizado com recurso ao programa ANSYS, assim como um modelo numérico do veículo do Metro de Lisboa. Com base nestes modelos foram obtidos os parâmetros modais, nomeadamente as frequências naturais e os modos de vibração de toda a estrutura e do veículo. O estudo do comportamento dinâmico da ponte foi realizado por intermédio de uma metodologia de cargas móveis e de interação veículo-estrutura, através da ferramenta computacional Train-Bridge Interaction (TBI). As análises dinâmicas foram efetuadas para a passagem dos veículos de passageiros das redes de Metros do Porto e Lisboa. Nestas análises é estudada a resposta da estrutura em função da variabilidade ao nível da secção transversal, dependência do tramo, influência do veículo, da sua velocidade de circulação e impacto das frequências de vibração estimadas pelo modelo numérico.

Optimization model for medium term natural gas commitment

In this paper we study the optimal natural gas commitment for a known demand scenario. This study implies the best location of GSUs to supply all demands and the optimal allocation from sources to gas loads, through an appropriate transportation mode, in order to minimize total system costs. Our emphasis is on the formulation and use of a suitable optimization model, reflecting real-world operations and the constraints of natural gas systems. The mathematical model is based on a Lagrangean heuristic, using the Lagrangean relaxation, an efficient approach to solve the problem. Computational results are presented for Iberian and American natural gas systems, geographically organized in 65 and 88 load nodes, respectively. The location model results, supported by the computational application GasView, show the optimal location and allocation solution, system total costs and suggest a suitable gas transportation mode, presented in both numerical and graphic supports.

Licensing endogenous cost-reduction in a differentiated Stackelberg model

In this paper we consider a differentiated Stackelberg model, when the leader firm engages in an R&D process that gives an endogenous cost-reducing innovation. The aim is to study the licensing of the cost-reduction by a two-part tariff. By using comparative static analysis, we conclude that the degree of the differentiation of the goods plays an important role in the results. We also do a direct comparison between our model and Cournot duopoly model.

Hybrid adaptive control of a dragonfly model

Dragonflies show unique and superior flight performances than most of other insect species and birds. They are equipped with two pairs of independently controlled wings granting an unmatchable flying performance and robustness. In this paper, it is presented an adaptive scheme controlling a nonlinear model inspired in a dragonfly-like robot. It is proposed a hybrid adaptive (HA) law for adjusting the parameters analyzing the tracking error. At the current stage of the project it is considered essential the development of computational simulation models based in the dynamics to test whether strategies or algorithms of control, parts of the system (such as different wing configurations, tail) as well as the complete system. The performance analysis proves the superiority of the HA law over the direct adaptive (DA) method in terms of faster and improved tracking and parameter convergence.

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.

Numerical and experimental analyses of biocomposites reinforced with natural fibres

n the last decades the biocomposites have been widely used in the construction, automobile and aerospace industries. Not only the interface transition zone (ITZ) but also the heterogeneity of natural fibres affects the mechanical behaviour of these composites. This work focuses on the numerical and experimental analyses of a polymeric composite fabricated with epoxy resin and unidirectional sisal and banana fibres. A three-dimensional model was set to analyze the composites using the elastic properties of the individual phases. In addition, a two-dimensional model was set taking into account the effective composite properties obtained by micromechanical models. A tensile testing was performed to validate the numerical analyses and evaluating the interface condition of the constitutive phases.

Numerical and experimental study of tensile strength of single and double-strap repairs

Adhesive bonding as a joining or repair method has a wide application in many industries. Repairs with bonded patches are often carried out to re-establish the stiffness at critical regions or spots of corrosion and/or fatigue cracks. Single and double-strap repairs (SS and DS, respectively) are a viable option for repairing. For the SS repairs, a patch is adhesively-bonded on one of the structure faces. SS repairs are easy to execute, but the load eccentricity leads to peel peak stresses at the overlap edges. DS repairs involve the use of two patches, one on each face of the structure. These are more efficient than SS repairs, due to the doubling of the bonding area and suppression of the transverse deflection of the adherends. Shear stresses also become more uniform as a result of smaller differential straining. The experimental and Finite Element (FE) study presented here for strength prediction and design optimization of bonded repairs includes SS and DS solutions with different values of overlap length (LO). The examined values of LO include 10, 20 and 30 mm. The failure strengths of the SS and DS repairs were compared with FE results by using the Abaqus® FE software. A Cohesive Zone Model (CZM) with a triangular shape in pure tensile and shear modes, including the mixed-mode possibility for crack growth, was used to simulate fracture of the adhesive layer. A good agreement was found between the experiments and the FE simulations on the failure modes, elastic stiffness and strength of the repairs, showing the effectiveness and applicability of the proposed FE technique in predicting strength of bonded repairs. Furthermore, some optimization principles were proposed to repair structures with adhesively-bonded patches that will allow repair designers to effectively design bonded repairs.