Dissipação de energia em estruturas com utilização de polímeros termoplásticos

Esta dissertação tem por objetivo contribuir à compreensão dos mecanismos e efeitos de dissipação de energia em estruturas mediante a utilização de materiais viscoelásticos. São obtidas experimentalmente as propriedades destes polímeros termoplásticos enfatizando seu uso como meio de redução das amplitudes de vibrações em estruturas submetidas a ações dinâmicas. Inicialmente, apresenta-se uma breve resenha histórica sobre o uso de materiais viscoelásticos com finalidade de amortecimento estrutural. São descritos modelos reológicos referentes ao comportamento mecânico, químico e térmico e também modelos matemáticos relacionados ao fenômeno do amortecimento necessários para o desenvolvimento do projeto dos amortecedores. A seguir, descreve-se detalhadamente o projeto, construção e análise de dissipadores de energia confeccionados com polímeros termoplásticos, mediante aplicações de carregamentos harmônicos cíclicos, é análisado seu comportamento. Finalmente, faz-se uma análise numérica da influência da incorporação de dissipadores numa estrutura real com problemas de vibrações excessivas. Conclusões sobre a aplicação deste tipo de amortecedor em estruturas em geral são apresentadas.

Mais... ou menos?... : a construção da operação de subtração no campo conceitual das estruturas aditivas

Na perspectiva da Epistemologia Genética, a adição e a subtração são pertencentes a um mesmo gênero de operações, ou seja, às estruturas aditivas e, na Teoria dos Campos Conceituais, a adição e a subtração pertencem ao Campo Conceitual Aditivo. A relação entre elas é abordada dentro do Campo Conceitual Aditivo, trabalhando-se com situações de transformação, de composição parte-todo e de “quanto falta”. Esta pesquisa de Mestrado busca compreender os esquemas que as crianças utilizam na construção da subtração no campo conceitual das estruturas aditivas. Nosso objetivo de pesquisa é descrever os esquemas que expressam avanços no desenvolvimento das crianças na construção da subtração, especificamente nas situações de transformação, de composição parte-todo e de “quanto falta”. Para encontrar esses esquemas, realizamos uma pesquisa microgenética com crianças de 2ª e de 3ª série do Ensino Fundamental, resolvendo situações-problema do campo conceitual aditivo. A subtração é uma operação que leva um tempo maior do que a adição para ser construída e cuja compreensão vai muito além da apropriação da sua linguagem. Entendemos que os significados da adição e da subtração são construídos em conjunto e que, portanto, são partes de um mesmo processo. Verificamos que as crianças, ao construírem os significados dessas operações, vão elaborando esquemas cada vez mais avançados, demonstrando um progresso na compreensão principalmente da subtração.

Otimização topológica de estruturas contínuas submetidas a restrições de flexibilidade, volume e frequência natural

Este trabalho trata dos problemas de otimização de minimização de volume com restrição de flexibilidade e freqüência natural e minimização de flexibilidade com restrição de volume. Os problemas são resolvidos para estruturas bidimensionais e tridimensionais. As equações diferenciais de equilíbrio são solucionadas de forma aproximada através do método dos elementos finitos, em um subespaço de dimensão finita. O método utilizado no estudo é o da otimização topológica, o qual consiste em encontrar dentro de um domínio pré-existente uma distribuição ideal de material. São avaliadas técnicas como programação linear e critério de ótimo. Em ambos os casos são utilizadas sensibilidades calculadas analiticamente. Para a otimização com restrição modal, problemas característicos como autovalores repetidos e normalização do autovetor são tratados. Ferramentas usadas na otimização topológica, como método da continuação, penalização e filtragem são discutidos. São abordados também problemas e características inerentes ao processo de otimização topológica, tais como instabilidades de tabuleiros, dependência de malha e sensibilidade da topologia a diferentes condições de contorno. Os resultados obtidos permitem avaliações referentes à otimização topológica (geometrias, ou seja, topologias resultantes) sob diferentes condições, utilizando-se as ferramentas discutidas nesse trabalho.

Obtenção e caracterização de estruturas reofundidas e tixofundidas da liga de alumínio AA7075

A obtenção de ligas metálicas em forma de pasta, com propriedades tixotrópicas apropriadas para serem utilizadas em processos de tixoconformação, pode ser realizada através de vários processos metalúrgicos. Destacam-se os processos de reofundidos obtidos a partir do líquido com a agitação mecânica do banho, ao longo da solidificação. Esses processos utilizam-se de rotores e propulsores, agitação mecânica usando o processo de duplo-parafuso e a agitação magneto hidrodinâmica. Outros procedimentos para a obtenção de pastas reofundidas a partir do líquido são o processo SCR (Shearing Cooling Roll), refino químico, ultra-som, processo spray, a nova reofundição NCR (New Rheocasting) e a reofundição elementar. As estruturas tixofundidas são obtidas a partir do metal sólido no qual, utiliza-se a refusão parcial de estruturas dendríticas, a fusão parcial de estruturas dendríticas deformadas (SIMA) e a fusão parcial sob pressão de estruturas dendríticas. No Trabalho em questão foram estudados os dois métodos para a obtenção de estruturas com propriedades tixotrópicas (Reofundição e Tixofundição). O primeiro processo explorado foi a agitação mecânica da liga AA7075 em seu estado semi-sólido, através de uma haste propulsora com pás recobertas por carbeto de cromo e contida em um cadinho especial de grafite. O segundo, foi a aplicação de tratamento isotérmico usando diversos patamares de tempos de aplicação e temperaturas. Este processo foi realizado por aquecimento indutivo na mesma liga AA7075, deformada anteriormente por extrusão direta. As microestruturas foram caracterizadas através dos diâmetros e formas dos glóbulos, utilizando o fator de forma específico em um programa de análise de imagens.

Proteção passiva de estruturas e sistemas elétricos contra incêndio aplicada a uma unidade de refino de petróleo

Nesta dissertação visa-se estudar e propor alternativas de solução para a proteção de estruturas e sistemas elétricos contra fogo numa unidade de craqueamento catalítico de uma refinaria de petróleo, por meio de proteção passiva. A proteção passiva tem por finalidade garantir a integridade das estruturas sujeitas a incêndio, durante um determinado período de tempo, para possibilitar, no caso da refinaria, a realização de procedimentos de parada da unidade de forma segura e controlar o incêndio a fim de diminuir a possibilidade de propagação do fogo para outras áreas. Com base em técnicas de análise de riscos fez-se a identificação de zonas potencialmente sujeitas a cenários de acidente envolvendo jato de fogo e/ou incêndio em poça. A delimitação das áreas onde haveria necessidade de proteção passiva foi realizada com base em modelos para jatos de fogo e incêndio em poça já estabelecidos na literatura. O dimensionamento da proteção passiva de estruturas e sistemas elétricos com o uso de diversos materiais usados comercialmente para este fim foi estimado com base em equações empíricas desenvolvidas por Jeanes, 1980, Stanzak, 1973 e PABCO, 1984, e, para alguns casos particulares foi feita uma verificação por solução numérica da equação da condução do calor em meio sólido.Assim, foram determinados quais os materiais mais adequados em cada caso de aplicação e qual a espessura em que deve ser aplicado para que a temperatura no elemento estrutural ou no sistema elétrico não atinja a sua determinada temperatura crítica em um período de tempo pré-determinado. Para os casos de elementos estruturais como colunas de sustentação da unidade de seção cilíndrica, o principal material para proteção passiva é a argamassa projetada e para perfil I, é o emprego de placas de gesso. Já para o caso de sistemas elétricos, podem ser utilizadas tanto tintas intumescentes quanto as mantas reforçadas com fibras minerais, esta escolha depende da geometria do sistema em que será empregado. Da comparação entre estes dois métodos pode-se concluir que o dimensionamento da proteção passiva fazendo o uso das correlações empíricas é menos conservativo que para o caso do uso da equação da difusão do calor resolvida por método numérico. Porém, os resultados diferem dentro de um limite considerado aceitável (em torno de 15%) levando-se em consideração os erros embutidos em cada método de cálculo. É importante mencionar que as correlações empíricas são de mais simples aplicação por possuir apenas operações matemáticas básicas. Usando as correlações empíricas para os perfis cilíndricos de aço (diâmetro de 0,1524 m e espessura de parede de 0,0254 m), a espessura de revestimento estimada com o uso das correlações empíricas necessária para garantir que a temperatura na interface entre os dois materiais não atinja 550°C em duas horas seria de 13,5 mm para argamassa projetada, 19,7 mm para vermiculita com silicato de sódio e 34,5 mm para recobrimento com concreto com proteção do tipo contorno. Fazendo o mesmo cálculo pelo método numérico proposto, os resultados foram de 15,53 mm para argamassa projetada, 22,06 mm para vermiculita com silicato de sódio e 38,98 mm para recobrimento com concreto com proteção do tipo contorno. Fazendo o mesmo cálculo pelo método numérico proposto, os resultados foram de 15,53 mm para argamassa projetada, 22,06 mm para vermiculita com silicato de sódio e 38,98 mm para recobrimento com concreto com proteção do tipo contorno. Cabe ressaltar que com a realização desta dissertação busca-se uma integração entre o mestrado acadêmico e o meio empresarial com o desenvolvimento de trabalhos de natureza acadêmica que tenham aplicação direta na prática. Espera-se assim permitir que Universidade dê retorno à sociedade que a mantém e propiciar que setores da sociedade possam usufruir da capacidade disponível na academia.

Avaliação do desempenho de LEDs na ativação de um compósito odontológico através de ensaios de sorção, solubilidade, nanodureza e módulo de elasticidade

O objetivo deste estudo foi avaliar o desempenho de quatro aparelhos fotopolimerizadores comerciais que utilizam LED como fonte de luz: Elipar Free Light 2 (E), Radii (R), L.E.Demetron I (D) e Single V (S) na polimerização do compósito Z250, na cor A3, por 20s, através dos ensaios de sorção, solubilidade, nanodureza e módulo de elasticidade. Um fotopolimerizador convencional de lâmpada halógena XL2500 (XL) foi utilizado como parâmetro de comparação. Para o ensaio de sorção e solubilidade foram confeccionados 5 corpos de prova com 15mm de diâmetro e 1mm de espessura para cada aparelho fotopolimerizador. Os ensaios foram realizados segundo a especificação da ISO 4049:2000 e os resultados mostraram que todos os grupos atenderam às exigências da norma que permite, no máximo, 40g/mm2 de sorção e 7,5g/mm2 de solubilidade. Para o ensaio de nanodureza e módulo de elasticidade foram confeccionados 5 corpos de prova cilíndricos com 6mm de diâmetro e 4mm de altura, para cada aparelho fotopolimerizador. A medição foi feita, em profundidade (1mm, 2mm e 3mm), no interior do corpo de prova, 24 h após a confecção dos mesmos. Os valores de nanodureza foram obtidos a partir da média de quatro endentações, realizadas em cada uma das três profundidades, de cada corpo de prova, com o equipamento Fischerscope HV, utilizando penetrador Berkovich com carga de 250mN. Os resultados obtidos foram submetidos à análise de variância e ao teste de Tukey para comparação entre os aparelhos, em cada profundidade (α=0,05) e comparação individual de cada aparelho nas diferentes profundidades (α=0,05). Na profundidade de 1mm todos os grupos apresentaram valores de nanodureza estatisticamente superiores à profundidade de 3mm. Para a profundidade de 1mm não houve diferença estatisticamente significativa entre os aparelhos. Para a profundidade de 2mm os aparelhos LED R, D e S foram superiores ao XL, e E não apresentou diferença estatisticamente significativa de D, S e XL. Para a profundidade de 3mm, não foi observada diferença estatisticamente significativa entre os LEDs, sendo R estatisticamente superior ao XL. Os valores do módulo de elasticidade não mostraram diferença entre os grupos na profundidade de 1mm e para as profundidades de 2 e 3mm, o XL apresentou valor estatisticamente inferior aos LEDs que não mostraram diferença entre si. Os resultados permitiram concluir que todos os aparelhos LED analisados mostraram um desempenho no mínimo semelhante, senão melhor do que a lâmpada halógena, considerando as propriedades de sorção, solubilidade, nanodureza e módulo de elasticidade desenvolvidas por eles no compósito Z250.

Caracterização elétrica de estruturas metal/dielétrico high-k/Si

Foram estudadas as propriedades elétricas de estruturas MOS envolvendo materiais com Zr e Hf: Al/HfO2/Si, Al/HfAlO/Si, Al/ZrO2/Si e Al/ZrAlO/Si depositadas por JVD (Jet Vapor Deposition) submetidas a diferentes doses de implantação de nitrogênio e tratamentos térmicos; Au/HfO2/Si e Au/HfxSiyOz/Si preparadas por MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) e Au/HfxSiyOz/SiO2/Si preparadas por sputtering reativo em O2 submetidas a tratamentos térmicos distintos. Para isso, além das medidas de C-V e I-V padrão, foi desenvolvido o método da condutância para estudo da densidade de estados na interface dielétrico/Si, o qual mostrou-se mais viável para as estruturas com dielétricos alternativos. A inclusão de Al na camada de dielétrico, bombardeamento por íons de nitrogênio, e tratamentos térmicos rápidos em atmosferas de O2 e N2 foram responsáveis por mudanças nas propriedades das amostras. Diversos mecanismos físicos que influenciam as propriedades elétricas dessas estruturas foram identificados e discutidos. Foi constatado que as interfaces com menores densidades de estados foram as das amostras preparadas por MOCVD e sputtering reativo.

Análise de estruturas compostas por aduelas pré-moldadas de concreto com protenção externa, sob estado plano de tensão, através do método dos elementos finitos

Aduelas protendidas externamente utilizadas em pontes contrastam com as clássicas construções monolíticas, consistindo de “pequenos” segmentos pré-moldados protendidos por cordoalhas externas. Há muitas vantagens na utilização deste tipo de composição, como rapidez e versatilidade na construção, alto controle de qualidade e economia. No presente trabalho, discute-se uma formulação, baseada no método dos elementos finitos, para simular o comportamento de estruturas compostas por aduelas externamente protendidas. Esta formulação permite tanto a análise de situações de serviço, onde as seções permanecem completamente comprimidas, como também de situações últimas, onde se considera a abertura das juntas e a transferência de esforços através das mesmas. O modelo computacional utiliza dois procedimentos distintos, baseados em um modelo elasto-viscoplástico. No primeiro, determina-se a resposta da estrutura ao longo do tempo, considerando-se, nesta etapa, que o material possui comportamento viscoelástico. No segundo, busca-se a resposta da estrutura para um carregamento instantâneo, considerando-se o material com um comportamento elastoplástico. As juntas entre as aduelas são representadas através de elementos de contato unidimensionais. Os nós de cada elemento de contato coincidem com os nós do elemento de concreto que a ele foi associado.Um modelo de camadas superpostas é utilizado para representar o comportamento viscoelástico do concreto e da armadura protendida Para representar o concreto fissurado, utiliza-se um modelo de fissuras distribuídas, que leva em conta a contribuição do concreto entre fissuras. A armadura passiva é introduzida na análise através de um modelo incorporado e a armadura de protensão não aderente é disposta em elementos fictícios, paralelos aos elementos reais da estrutura. Para verificar a adequação do modelo computacional, compararam-se resultados numéricos com valores experimentais disponíveis na literatura.

Investigação de concretos afetados pela reação álcali-agregado e caracterização avançada do gel exsudado

A crescente preocupação com a qualidade e durabilidade das estruturas de concreto tem gerado grandes avanços na tecnologia do concreto, porém existem muitas questões ligadas aos processos de deterioração ainda a serem esclarecidas. Entre os vários processos que afetam a durabilidade do concreto, encontra-se a reação álcali-agregado (RAA), um fenômeno bastante complexo, mas que foi descoberto há muitos anos, porém responsável por ter afetado mais de 140 barragens no mundo. Ainda não se dispõe de uma maneira totalmente eficiente e econômica de combater a reação, uma vez instalada no concreto. A presente pesquisa aborda, do ponto de vista científico e tecnológico, o tema RAA. A investigação se deu em três etapas. Na primeira, o objetivo principal foi estudar aproximadamente cem testemunhos de concreto, provenientes de uma estrutura de usina hidrelétrica já afetada pela RAA, e verificar o reflexo desta patologia nas suas propriedades como a resistência à compressão, à tração, módulo de elasticidade, velocidade de pulsos ultra-sônicos e permeabilidade. Em conjunto, foram realizados ensaios para avaliar expansões residuais e investigações microscópicas com o objetivo de verificar os agentes causadores da reação. Na segunda etapa, o agregado quartzito, proveniente da região da usina hidrelétrica avaliada, foi estudado, desde análises microscópicas, ensaios de expansão em argamassas e concretos até a determinação das propriedades de concretos confeccionados em laboratório. As propriedades avaliadas foram as mesmas dos testemunhos. Nas duas primeiras etapas realizadas, o papel do lítio também foi abordado com o objetivo de verificar a sua eficiência no combate a RAA Por fim, na terceira etapa, foi realizado um amplo estudo do gel exsudado coletado na superfície do concreto da estrutura deteriorada pela RAA. O estudo envolveu desde a sua simples caracterização através da determinação de suas propriedades até uma caracterização avançada fazendo-se o emprego de técnicas como a difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, análise térmica, espectroscopia no infravermelho e espectroscopia de ressonância nuclear magnética. Nesta etapa, o lítio também foi abordado com o objetivo de se verificar o seu efeito no gel exsudado. Os resultados com os testemunhos de concreto indicam que houve reflexos negativos em algumas propriedades devido a RAA, destacando o módulo de elasticidade. Verificou-se ainda a existência de expansões residuais nos testemunhos de concreto extraídos quando expostos a determinadas condições ambientais. Nos ensaios de expansão com os testemunhos, o lítio se mostrou capaz de reduzir em parte as expansões residuais nos testemunhos de concreto estudados. Adicionalmente, o agregado quartzito provou ser bastante reativo, chegando a expansões de 0,24% nas argamassas pelo método acelerado e 0,09% nos prismas de concreto, nas idades de 16 e 365 dias, respectivamente. Entre as propriedades estudadas nos concretos moldados, e atacados em laboratório, verificou-se também que o módulo de elasticidade foi a propriedade mais afetada no tempo. Ainda o lítio nesta etapa também mostrou algum efeito positivo nas expansões. No estudo do gel exsudado, foi possível caracterizá-lo como um silicato de potássio hidratado com grande potencialidade para expandir. A partir principalmente da ressonância nuclear magnética, verificou-se que o potássio faz parte da estrutura do gel enquanto que o sódio se apresenta combinado na forma de trona, um produto cristalizado que se encontra segregado na rede do silicato de potássio amorfo. O lítio em contato com o gel se mostrou capaz de afetar a sua estrutura através das alterações observadas por ressonância nas ligações do silício.

Programa computacional para análise dinâmica de estruturas incluindo amortecimento viscoelástico

Neste trabalho apresenta-se a implementação da matriz de amortecimento viscoelástica para um programa computacional de análise de cascas laminadas de materiais compósitos. A formulação apresentada permite realizar análises dinâmicas de estruturas laminadas com a consideração do efeito do amortecimento para dois modelos diferentes: Kelvin e Zener. A matriz de amortecimento foi implementada de duas formas: proporcional à massa ou proporcional à rigidez. A equação do movimento do sistema dinâmico foi resolvida utilizando-se o método de Newmark para integração direta. Para o modelo Zener foi desenvolvida uma análise para um elemento com 1 grau de liberdade. Apresentam-se exemplos de aplicações da formulação para modelos viscosos, implementadas no programa de elementos finitos, submetidos a diferentes tipos de carregamentos, como carga distribuída e cargas de impacto com diferentes tipos de excitações. Comparações entre o comportamento dos modelos Kelvin e Zener foram realizadas para validar os resultados obtidos.