Análise e otimização de materiais compósitos de microestrutura periódica

A presente dissertação tem como principais objetivos a otimização topológica de materiais compósitos de microestrutura periódica e a análise de efeitos de escala na caracterização das propriedades elásticas dos mesmos. No desenvolvimento deste trabalho, é abordada a teoria da homogeneização que é usualmente utilizada para estimar as propriedades elásticas de materiais compósitos periódicos de modo a tratar um meio heterogéneo como um meio homogéneo com propriedades mecânicas equivalentes. É realizada uma verificação e validação das hipóteses utilizadas por esta teoria, com o fim de determinar em que condições os resultados homogeneizados são credíveis e qual a margem de erro associada a esses mesmos resultados. O modelo de material aqui utilizado é obtido pela repetição de uma célula de base unitária (microestrutura representativa) em todas as direções espaciais. Trata-se de um modelo de material tridimensional de duas fases, sólido e vazio (material poroso). São estudadas diferentes topologias de microestruturas, obtidas através de um algoritmo de otimização topológica utilizando o método da homogeneização inversa. Para que fosse utilizada uma amostra suficientemente representativa de diferentes casos de anisotropia de material, foi utilizado um gerador de números aleatórios para reproduzir os estados de tensão ou deformação a serem utilizados no processo de otimização das microestruturas. Desta forma, é realizado um estudo quanto à anisotropia de material e a sua influência nas propriedades elásticas do material. O estudo de efeitos de escala toma uma grande importância neste trabalho, sendo estimados numericamente os tensores elásticos que caracterizam o material e estudada a sua convergência em relação aos tensores obtidos pelo método da homogeneização. Da mesma forma, é realizado um estudo numérico de convergência da densidade de energia de deformação e de tensão para diferentes condições de ensaios mecânicos. Os resultados indicam que um baixo fator de escala é suficiente para substituir um compósito heterogéneo por um material homogéneo com propriedades elásticas calculadas pela teoria da homogeneização.

Caracterização de materiais soldados com base na medição de perfis de condutividade eléctrica

Trabalhos recentes têm demonstrado que a medição de perfis de condutividade eléctrica é uma técnica eficaz, rápida e não destrutiva para a caracterização de materiais metálicos ligados por soldadura por fusão ou no estado sólido. Os resultados referentes às ligas de alumínio mostram que existe uma estreita correlação entre os perfis de condutividade eléctrica e os perfis de dureza, sendo os primeiros determinados sobretudo pelo tamanho de grão. Relativamente às ligas de aço, verifica-se que os perfis de condutividade eléctrica também permitem identificar as diferentes zonas termicamente afectadas devido aos processos de soldadura por fusão, as quais são geralmente descritas por zona fundida (ZF) e zona termicamente afectada (ZTA), sendo a sua extensão dependente sobretudo da Entrega Térmica (ET). Contudo, em algumas ligas, as características metalúrgicas que controlam as variações de condutividade eléctrica não estão devidamente descritas ou compreendidas. Nesse sentido, o objectivo do presente trabalho foi caracterizar os perfis de condutividade eléctrica em diferentes ligas de aço soldadas por fusão, identificando os principais aspectos metalúrgicos que lhes estão subjacentes. Foram realizados cordões de soldadura SER e TIG de aços P11, P22 e não ligado com diferentes parâmetros de soldadura. Os perfis de condutividade eléctrica foram medidos com sondas de correntes induzidas e com sondas de quatro pontos a diferentes profundidades, tendo sido comparados com os respectivos perfis de microdureza Vickers. Os resultados mostram que existe uma boa correlação entre a condutividade e a dureza, sendo que a condutividade é essencialmente determinada pelo tamanho de grão, e pela morfologia da fase ferrítica. A ferrite Witmanstatten facilita a passagem de corrente eléctrica ao contrário da ferrite poligonal que constitui um obstáculo à passagem de electrões. Pode confirmar-se que a medição dos perfis de condutividade é uma técnica com elevado potencial para complementar, ou em alguns casos substituir, a medição de durezas em ligas de aço soldadas por fusão.

Desenvolvimento e avaliação in vitro de um revestimento multifuncional para possível aplicação em implantes ósseos

As fraturas ósseas têm sido consideradas como um problema sócio económico mundial afetando sobretudo os jovens e idosos. No caso de pequenas correções de fraturas ou defeitos ósseos é necessário a aplicação de implantes biodegradáveis que atuem de forma temporária durante o período de formação do novo tecido ósseo. Uma das grandes vantagens da sua aplicação é evitar uma segunda intervenção cirúrgica para a sua remoção. Para isso, o Magnésio (Mg) e as suas ligas têm vindo a ser considerados como uma boa opção para este tipo de implantes temporários pois para além de serem biodegradáveis e biocompatíveis possuem propriedades semelhantes ao osso. No entanto, a sua elevada taxa de degradação em ambiente biológico é uma desvantagem para a sua utilização que conduz à perda da sua funcionalidade. O objetivo deste trabalho foi desenvolver revestimentos multifuncionais biocompatíveis, para a superfície do implante biodegradável, que permitam controlar a taxa de degradação do Mg e em simultâneo promovam a adesão e proliferação celular no local afetado. Neste trabalho, foram desenvolvidos três tipos de revestimentos biocompatíveis: Fosfatos, Fosfatos com nanopartículas de hidroxiapatite e fosfatos com nanopartículas de hidroxiapatite e óxido de grafeno aplicados na superfície da liga de Mg AZ31 através do método de eletrodeposição/eletroforese química. Foi realizado um tratamento térmico e avaliada a sua influência na resposta celular e na sua resistência à degradação. As propriedades físico-químicas do revestimento foram obtidas por microscopia electrónica de varrimento e de transmissão, microscopia de Raman, difração de raios-X e microscopia de força atómica. Foram ainda analisadas medições do ângulo de contacto da superfície dos revestimentos e realizados ensaios de degradação em soluções fisiológicas. A resposta celular aos revestimentos foi testada in vitro através da avaliação da adesão e proliferação de células osteoblásticas (Saos-2). Os resultados obtidos demonstram que o tratamento térmico modifica a estrutura do revestimento e promove a adesão celular. A incorporação do óxido grafeno no revestimento de fosfatos e hidroxiapatite permite aumentar a resistência à degradação e promover uma melhor resposta celular.

Reforço de elementos estruturais de madeira com materiais compósitos de matriz polimérica

A necessidade de manutenção e reabilitação de estruturas de madeira antigas é, nos dias de hoje, um aspeto bastante importante a nível mundial. Assim, o estudo da eficácia de alguns sistemas de reforço torna-se fulcral. A presente dissertação é um estudo experimental sobre reforço de estruturas de madeira com materiais compósitos. Os materiais compósitos utilizados na componente experimental foram polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer) e estes foram colados ao substrato de madeira com resina epoxídica. O estudo experimental foi composto por duas fases. Na primeira fase realizaram-se ensaios de corte simples e na segunda fase ensaios de flexão. Os ensaios de corte simples foram realizados de modo a estudar a ligação CFRP-madeira e a analisar a influência do comprimento colado de CFRP ao substrato de madeira. Para tal, utilizaram-se duas técnicas de reforço, a técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) em que os laminados de CFRP são colados exteriormente e a técnica NSM (Near Surface Mounted) em que os laminados de CFRP são colados numa ranhura feita no provete de madeira. Foram realizados 17 ensaios de corte simples, 10 com a técnica EBR e 7 com a técnica NSM. Na segunda fase, foram realizados 3 ensaios de flexão sobre pavimentos de madeira reforçados com laminados de CFRP. Para estes ensaios também se utilizaram duas técnicas de reforço, a técnica EBR e uma técnica em que o laminado de FRP é ancorado nas extremidades das vigas. Numa fase final os resultados foram analisados e comparados de modo a tirar conclusões. Concluíu-se que a técnica de reforço NSM apresenta um desempenho superior à técnica EBR nos ensaios de corte simples. Comparativamente à técnica EBR, os pavimentos de madeira com o laminado de CFRP ancorado nas extremidades das vigas apresentaram um melhor desempenho.

Influência da adição de óxido de grafeno em produtos de acabamento de cal para revestimento de paredes

O avanço tecnológico abre novas possibilidades onde anteriormente pareciam haver limitações. Todos os anos novas descobertas permitem ir um pouco mais além do ponto onde a ciência se encontrava limitada e, nesse sentido, o advento dos nanomateriais veio criar uma série de possibilidades extensíveis a vários ramos da ciência. Desde a primeira vez que se sintetizou grafeno em laboratório, nanomaterial sob o qual se foca esta dissertação, que a sua aplicabilidade nos mais variados ramos de pesquisa tem vindo a ser estudada. A engenharia civil conseguiu tirar partido deste novo tipo de material, em grande parte beneficiando das melhorias que este introduz quando usado como aditivo em produtos cimentícios. Por vários motivos, a necessidade de construção nova reduziu mas por sua vez cresceu a necessidade de intervenções de conservação e reabilitação das construções. No âmbito desta dissertação avalia-se de que forma o óxido de grafeno pode influenciar aspetos relacionados com o desempenho funcional de produtos de acabamento para revestimento de paredes à base de cal aérea, mais vocacionados para edifícios antigos. Utilizaram-se placas de gesso cartonado como suporte dos produtos de acabamento de revestimento de paredes a avaliar, no caso da caiação e estanhado de cal aérea em pasta. Foram utilizados diferentes teores de óxido de grafeno em cada produto aplicado, de modo a permitir observar a correlação de resultados e a sua evolução, em função do teor de aditivo. Foi possível concluir que, de uma forma muito geral, algumas das características funcionais dos acabamentos foram melhoradas, sendo também possível afirmar que essa melhoria foi consistente com o aumento das percentagens do teor de aditivo. São exemplos a coesão e dureza superficiais e, também, a redução da absorção de água. Outros casos houve em que a adição do óxido de grafeno não se fez notar de nenhuma forma em particular, tal como na fissuração observada nos provetes, bem como no caso da resistência à erosão.

Detecção de anomalias em impermeabilizações de coberturas em terraço através da termografia de infravermelhos

Em Portugal a execução de coberturas planas é muito corrente. No entanto, apesar das evoluções positivas que, nas últimas décadas, este tipo de coberturas tem tido a nível de materiais e soluções construtivas, continuam a surgir anomalias associadas à impermeabilização que resultam, em geral, em infiltrações de água através da cobertura. Para detectar precocemente estas anomalias desenvolveu-se uma metodologia de análise não destrutiva através da utilização de termografia de infravermelhos (TIV). A metodologia permite, através da medição da radiação emitida pela superfície da cobertura, identificar heterogeneidades de temperatura que podem resultar da presença de espaços de ar e/ou água sob o sistema de revestimento da impermeabilização. Neste artigo apresentam-se os principais resultados obtidos no âmbito desta investigação, que permitiram comprovar a sensibilidade do método da TIV na detecção e mapeamento das anomalias no sistema de impermeabilização de coberturas planas

Produção e caracterização de materiais com gradiente funcional a partir de ligas com memória de forma

O presente trabalho incidiu no estudo da possibilidade de se obter uma variação das propriedades funcionais numa liga de NiTi rica em Ni comercial a partir de um processo de tratamentos térmicos localizados por efeito de Joule. Para tal, foram tratados troços de fitas de NiTi sujeitas a diferentes tratamentos termo-mecânicos prévios, que foram posteriormente sujeitos a análise térmica por DSC (Differential Scanning Calorimetry) para se identificar a influência dos tratamentos térmicos nas temperaturas de transformação. As fitas foram também sujeitas a ciclos de deformação com utilização de um extensómetro para averiguar a influência de cada troço na deformação/recuperação globais. Estes estudos foram complementados por ensaios de resistividade elétrica, identificando-se as variações de resistividade nos diferentes troços, e por ensaios de DRX para complementar a análise térmica de modo a determinar as fases existentes nas fitas às diferentes temperaturas. Questões relacionadas com o processo e os seus diferentes parâmetros de operação foram também identificados e discutidas de modo a se poder adaptar e aperfeiçoar no futuro. Os resultados mostraram que este processo se adequa ao objetivo pretendido, com capacidade superior para se obter uma variação espacial das propriedades funcionais relativamente a outros métodos utilizados.

Mistérios... um revestimento azulejar do século XVIII para uma igreja desconhecida

A progressiva descoberta de um vasto número de painéis com aspectos iconográficos similares, nas reservas do Museu Nacional do Azulejo, permitia supor estarmos perante um conjunto coerente para revestimento de um espaço religioso. O conjunto, pintado a azul de cobalto sobre branco, possui a invulgar particularidade de integrar grandes flores com pétalas coloridas a violeta de manganês e apoiadas em pés verdes, obtidos pela mistura de amarelo de antimónio com a dominante azul. O estudo do conjunto já conhecido, a que se associam novos elementos recentemente descobertos ao abrigo do projecto “Devolver ao olhar”, permitiu compreender a articulação de todos os elementos e revelar um notável e original programa iconográfico, único nas intenções e representações que encerra.

Contributo de betões de cânhamo na regulação passiva da humidade no interior dos edifícios

Verifica-se um crescimento no interesse do uso de materiais de construção amigos do ambiente, tais como o betão de cânhamo, devido à necessidade de minimizar o impacto ambiental do sector da construção nas mudanças climáticas. O betão de cânhamo possui reduzida energia incorporada durante o processo de fabrico devido à sua composição: elevado teor de fibras de cânhamo, um ligante e água que formam uma pasta que aglutina as fibras. Este material de construção pode ser utilizado em elementos de alvenaria leves ou, geralmente, em placas de revestimento e isolamento. É muito higroscópico, podendo trazer vantagens a nível de economia energética, bem como da saúde e conforto térmico dos habitantes do espaço onde é aplicado. Apresenta-se um estudo experimental que teve como objetivo comparar a higroscopicidade de três tipos de betões de cânhamo e a correspondente capacidade de contribuírem para a regulação da humidade relativa (HR) no interior dos edifícios. Os betões diferem fundamentalmente no tipo de ligante utilizado nas suas formulações: cal aérea (PF70), cal hidráulica (Calco) e um ligante não identificado produzido pelo Grupo Parex (NL). Pretendeu-se ainda avaliar a contribuição da espessura de material nessa função de regulação passiva da HR. Provetes com distintas espessuras dos três betões foram sujeitos ao ensaio de determinação do Moiture Buffering Value (MBV), com ciclos diários de variação de HR: 8h a 75% de HR e 16h a 33% de HR em condições isotérmicas (23°C). Registou-se um bom MBV e não foi detetada uma diferença significativa na capacidade higroscópica dos diferentes betões, formulados com os distintos ligantes. A análise dos resultados, feita com o auxílio de modelos teóricos, permitiu destacar que a espessura envolvida na regulação da HR se mantém, na generalidade, limitada a 5cm em todas as formulações em estudo. Contudo, algumas irregularidades da superfície podem ter um forte impacto sobre a espessura ativa.