Application of Volterra series in nonlinear mechanical system identification and in structural health monitoring problems

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Projeto de controladores robustos para aplicações em estruturas inteligentes utilizando desigualdades matriciais lineares

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Controle ativo de vibrações em estruturas flexíveis utilizando desigualdades matriciais lineares (LMIs)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Síntese e caracterização de estruturas supramoleculares organizadas a partir de sistemas de paládio(II)/ácidos dicarboxílicos/ligantes lineares nitrogenados

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Modelo mecânico para estruturas lineares em concreto armado - uma abordagem acoplada entre a mecânica do dano e algoritmos de otimização

Modelos escritos através dos conceitos da Mecânica do Dano no Contínuo representam atualmente uma alternativa consistente para a simulação numérica do comportamento de estruturas constituídas por materiais quase frágeis, onde a perda de rigidez em função da fissuração crescente é o fator preponderante da resposta não-linear de seus elementos estruturais. No entanto, modelos de dano apresentam forte dependência de parâmetros internos usados para descrever os critérios e evolução das variáveis de dano, que devem ser calibrados adequadamente para uma resposta mecânica coerente da estrutura. Neste contexto, o artigo mostra um estudo sobre a calibração de parâmetros do modelo de dano de Mazars e sua aplicação na análise numérica de vigas e pórticos planos em concreto armado. O Método dos Mínimos Quadrados é adotado para resolver o problema, em conjunto com a técnica de Gauss-Newton. Em virtude da ausência de resultados experimentais para diversas classes de resistência do concreto, como referência para o processo de calibração, são adotados alguns modelos constitutivos teóricos tanto à tração quanto à compressão. Esse processo de calibração de parâmetros é incorporado a um modelo mecânico em elementos finitos para análise de barras em concreto armado, com a consideração conjunta dos mecanismos complementares de resistência ao cisalhamento, como efeito de pino, armadura transversal e engrenamento de agregados. Uma lei constitutiva exponencial para o decaimento da resistência à tração do concreto é proposta com o objetivo de simular o comportamento do tipo tension softening do material. Testes de simulação envolvendo o modelo proposto foram realizados, comparando-se com resultados experimentais e numéricos mostrando a boa precisão e capacidade de obtenção de cargas últimas em estruturas de barras em concreto armado.

O papel das estruturas lineares, artificiais e naturais, como locais de refúgio de micromamíferos

Avaliámos a importância das bermas das estradas como áreas de refúgio para pequenos mamíferos, em paisagens Mediterrânicas intensivamente pastoreadas, e comparámos esta possível função das estradas como refúgio com o papel fundamental das galerias ripícolas como reservatórios de diversidade biológica. Para esse efeito, foram realizadas capturas de micromamíferos em dois segmentos de estrada e em duas ribeiras da região de Évora. Foram capturados 457 indivíduos de cinco espécies diferentes. Mus spretus foi a espécie mais capturada, seguida de Crocidura russula e Apodemus sylvaticus. M. spretus apresentou uma maior abundância nas bermas de estrada do que na vegetação ripicola, enquanto que a abundância de C. russula e A. sylvaticus era semelhante para ambos os habitats. O número de capturas das três espécies foi bastante superior dentro dos habitats lineares do que na matriz circundante. Os indivíduos de M. spretus eram maiores nas ribeiras, mas significativamente menores fora dos habitats lineares, e os indivíduos de C. russula apresentavam uma melhor condição corporal nas bermas das estradas. Tanto as estradas como as ribeiras exerceram um forte efeito de barreira aos movimentos dos micromamíferos. Concluímos então que as bermas das estradas actuam como habitat de refúgio em áreas sub-óptimas das paisagens Mediterrânicas. ABSTRACT: We assessed the importance of road verges as refuge areas for small mammals, in highly intensified grazed pastures on a Mediterranean landscape, and compared road function as refuge with the fundamental role of riparian galleries as reservoirs of biological diversity. For this purpose, a small mammal trapping study was undertaken on road verges and on small stream sides. We sampled two road segments and two streams in the vicinity of Évora, Portugal. We captured a total of 457 individuals of five different species. Mus spretus was the most common species captured, followed by Crocidura russula and Apodemus sylvaticus. M. spretus was more abundant on road verges than on riparian strips, whilst the abundance of C. russula and A. sylvaticus were similar in the two habitats. Captures of the three species were much higher inside both linear habitats than on the surrounding matrix. M. spretus were bigger on stream sites but significantly smaller outside the linear habitats and C. russula had better body conditions on roads. 8oth roads and streams exerted a strong barrier effect to small mammals' movements. We conclude that roadside verges act as refuge habitat in sub-optimal Mediterranean landscapes.

Controle activo de estruturas adaptativas com sensores e actuadores piezoeléctricos

Nos últimos anos o estudo de estruturas inteligentes tem atraído vários investigadores devido às suas potenciais vantagens numa larga gama de aplicações, tais como controle de forma, supressão de vibrações, atenuação de ruído e detecção de dano. O uso de materiais “inteligentes” tal como os materiais piezoeléctricos na forma de lâminas ou “patches”, embebidas ou coladas na superfície de estruturas construídas de materiais compósitos, permite assim obter estruturas que por um lado são adaptativas e por outro revelam excelentes propriedades mecânicas, aumentando assim bastante o desempenho e a fiabilidade de sistemas estruturais. Os materiais piezoeléctricos têm a propriedade de gerar uma carga eléctrica sob a acção duma carga mecânica e o reverso, isto é, aplicando um campo eléctrico nos elementos piezoeléctricos da estrutura, esta deforma-se. Neste trabalho, é apresentado um modelo de elementos finitos, baseado na teoria clássica de placas, desenvolvido para a análise do controle activo em estática e dinâmica lineares de estruturas integrando sensores e actuadores piezoeléctrico na forma de lâminas, os quais introduzem um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. É utilizado método de Newmark para a solução iterativa das equações de equilíbrio. Apresentam-se os resultados obtidos em três exemplos ilustrativos.

Estudo do galgamento em estruturas marítimas verticais utilizando o modelo numérico AMAZON

O galgamento oceânico é um fenómeno associado à interação de ondas com estruturas marítimas. Nesta dissertação estudou-se o galgamento em estruturas marítimas verticais através da aplicação do modelo numérico AMAZON, que é um modelo bidimensional, baseado na resolução das equações não lineares de águas pouco profundas. Para validar a sua aplicação a estruturas marítimas verticais impermeáveis, os resultados de caudal médio galgado obtidos com o modelo AMAZON foram comparados com os resultados de ensaios em modelo físico bidimensional realizados anteriormente e disponíveis na base de dados do projeto europeu CLASH. Os resultados foram ainda comparados com os das fórmulas empíricas e semi-empíricas de Van der Meer & Bruce de 2014, de Goda de 2008 e de Hedges & Reis de 2015. Antes da sua validação, o modelo foi calibrado utilizando um dos ensaios do CLASH. Para tal, realizou-se uma análise de sensibilidade a alguns parâmetros do modelo, concretamente da dimensão mínima da malha, da escala de aplicação do AMAZOM (à escala reduzida ou à do protótipo), da forma de modelação da parede vertical, já que, dado este modelo ser integrado na vertical, não é possível considerar paredes verticais sem utilizar um artifício de cálculo, dos valores de alguns dos parâmetros de entrada do modelo (profundidade mínima molhada e a profundidade mínima de fricção) e da dimensão do domínio de cálculo. Os resultados da calibração do AMAZON mostram que, por causa da precisão do modelo para os menores caudais médios de galgamento, se deve aplicar o modelo à escala do protótipo. Para estruturas verticais, a aproximação que o modelo faz, por defeito, para a secção vertical da estrutura através de um talude fictício a 10:1 apresenta melhores resultados que a utilização de um talude a 20:1. Contudo, ambos requerem a adoção de uma dimensão da malha bastante reduzida nesta zona e na sua vizinhança (0.03 m). No caso em estudo, os dois parâmetros de entrada do modelo não têm impacto significativo nos resultados, ao contrário do domínio de cálculo que, tal como recomendado na literatura de referência, se deve iniciar (fronteira de entrada) a aproximadamente um comprimento de onda do pé da estrutura. Os resultados obtidos mostram que, em geral, o AMAZON subestima o valor medido do caudal médio galgado com erros relativos variáveis entre -91% e -49%; apenas para um caso o modelo sobrestima o caudal médio, com um erro relativo de 43%. Quando comparado com as formulações empíricas e semi-empíricas, a fórmula de Van der Meer & Bruce apresenta melhores aproximações aos caudais médios medidos que constam na base de dados do CLASH, seguida da fórmula de Goda e dos resultados do modelo AMAZON, embora estes dois últimos apresentem valores bastante próximos. Assim, uma vez que o modelo está em constante desenvolvimento, espera-se que no futuro seja uma ferramenta mais poderosa. Contudo, enquanto não se fizerem melhorias no modelo e/ou não se estender a outros ensaios a análise feita no âmbito desta dissertação, os resultados sugerem que não há vantagem na sua utilização face às formulações empíricas e semi-empíricas disponíveis, tendo também em conta o significativo tempo computacional exigido para executar o AMAZON com a dimensão da malha escolhida.

Um modelo numerico para analise de estruturas de materiais compostos considerando efeitos viscoelasticos e falhas progressivas

Neste trabalho apresentam-se pocedimentos para análise não linear de estruturas de materiais compostos laminados reforçados por fibras. A formulação é baseada em uma descrição cinemática incremental Lagrangeana Total, que permite o tratamento de deslocamentos arbitrariamente grandes com pequenas deformações, utilizando elementos finitos tridimensionais degenerados deduzidos para a análise de cascas. As estruturas são consideradas como submetidas a cargas mecânicas e a ações de temperatura e de umidade. O material é suposto elástico linear com propriedades dependentes, ou não, dos valores da temperatura e da concentração de umidade, ou viscoelástico linear com uma relação constitutiva em integral hereditária , e com comportamento higrotermo-reologicamente simples. As lâminas são consideradas como sujeitas a falhas, as quais são detectadas através de critérios macroscópicos, baseados em tensões ou em deformações. As equações não lineares de equilíbrio são resolvidas através de procedimentos iterativos e as deformações dependentes do tempo são avaliadas pelo método das variáveis de estado. Diversos exemplos numéricos de estruturas submetidas à flexão, flambagem elástica e viscoelástica e falhas são apresentados.

Aplicação da teoria de dano na análise do comportamento viscoelástico de estruturas de concreto

A presente dissertação de mestrado tem por assunto a representação do comportamento mecânico do concreto sob cargas de curta e longa duração, incluindo efeitos não-lineares. Para tal fim trabalha-se com equações baseadas na teoria do dano contínuo. São propostas equações para o caso triaxial e, baseado nelas, é implementado um programa computacional. Com diversos exemplos verifica-se que: a) A solução numérica aproxima bem os resultados teóricos. b) O comportamento do modelo representa bem as características qualitativas do concreto. c) O modelo permite aproximar bem alguns resultados experimentais, mas ainda deve ser aperfeiçoado, particularmente no que refere-se à identificação de parâmetros.

Otimização topológica de estruturas bidimensionais contínuas submetidas a restrições de flexibilidade e tensão

Neste trabalho é resolvido o problema da minimização do volume de estruturas bidimensionais contínuas submetidas a restrições sobre a flexibilidade (trabalho das forças externas) e sobre as tensões, utilizando a técnica chamada otimização topológica, que visa encontrar a melhor distribuição de material dentro de um domínio de projeto pré-estabelecido. As equações de equilíbrio são resolvidas através do método dos elementos finitos, discretizando a geometria e aproximando o campo de deslocamentos. Dessa forma, essas equações diferenciais são transformadas em um sistema de equações lineares, obtendo como resposta os deslocamentos nodais de cada elemento. A distribuição de material é discretizada como uma densidade fictícia constante por elemento finito. Esta densidade define um material isotrópico poroso de uma seqüência pré-estabelecida (SIMP). A otimização é feita através da Programação Linear Seqüencial. Para tal, a função objetivo e as restrições são sucessivamente linearizadas por expansão em Série de Taylor. A análise de sensibilidade para a restrição de flexibilidade é resolvida utilizando o cálculo da sensibilidade analítico adaptado para elementos finitos de elasticidade plana. Quando as restrições consideradas são as tensões, o problema torna-se mais complexo. Diferente da flexibilidade, que é uma restrição global, cada elemento finito deve ter sua tensão controlada. A tensão de Von Mises é o critério de falha considerado, cuja sensibilidade foi calculada de acordo com a metodologia empregada por Duysinx e Bendsøe [Duysinx e Bendsøe, 1998] Problemas como a instabilidade de tabuleiro e dependência da malha sempre aparecem na otimização topológica de estruturas contínuas. A fim de minimizar seus efeitos, um filtro de vizinhança foi implementado, restringindo a variação da densidade entre elementos adjacentes. Restrições sobre as tensões causam um problema adicional, conhecido como singularidade das tensões, fazendo com que os algoritmos não convirjam para o mínimo global. Para contornar essa situação, é empregada uma técnica matemática de perturbação visando modificar o espaço onde se encontra a solução, de forma que o mínimo global possa ser encontrado. Esse método desenvolvido por Cheng e Guo [Cheng e Guo, 1997] é conhecido por relaxação-ε e foi implementado nesse trabalho.

Simulação numérica da interação de escoamentos tridimensionais de fluidos compressíveis e incompressíveis e estruturas deformáveis usando o método de elementos finitos

Neste trabalho apresenta-se um algoritmo para a simulação de problemas tridimensionais de interação fluido-estrutura utilizando a técnica de elementos finitos. Um esquema de Taylor-Galerkin de dois passos e elementos tetraédricos lineares são empregados para o fluido, que pode ser compressível ou incompressível. É adotada uma formulação lagrangeana-euleriana arbitrária (ALE), compatível com o movimento da interface fluidoestrutura. Um método ftacionado de correção de velocidade é utilizado para os fluidos incompressíveis. A estrutura é analisada usando elementos triangulares com três nós e seis graus de liberdade por nó (três componentes de deslocamentos e três componentes de rotação). Os efeitos da não-linearidade geométrica são incluídos. O método de Newmark é empregado para integrar no tempo as equações dinâmicas de equilíbrio, usando-se uma descrição lagrangeana atualizada. O sistema de equações alge'bricas é solucionado através do método dos gradientes conjugados e o sistema não-linear, resultante de deslocamentos e rotacões finitas da estrutura, é solucionado com um esquema incremental-iterativo. O código é otimizado para aproveitar as vantagens do processamento vetorial.

Avaliação numérica do comportamento sísmico de estruturas de betão armado

Os danos provocados por sismos encontram-se diretamente relacionados com os movimentos do solo que este possa provocar, com a vulnerabilidade da estrutura geológica e com a capacidade das construções para resistirem a tais ações. A preocupação na salvaguarda da vida humana e no mitigar dos danos provocados por eventos sísmicos conduziu a um grande avanço e aperfeiçoamento na compreensão do fenómeno, nas suas consequências e nas técnicas de conceção e de dimensionamento sismo-resistentes. À medida que as exigências técnicas evoluem, procura-se desenvolver métodos de análise que descrevam melhor o comportamento real das estruturas. Embora atualmente as análises dinâmicas tridimensionais lineares com base em análises modais e em coeficientes de comportamento sejam muito utilizadas, devido essencialmente à sua simplicidade e rapidez de execução, tem-se verificado uma crescente aderência a novas metodologias que têm diretamente em conta o comportamento não linear das estruturas quando sujeitas a ações sísmicas. Esta tese tem como principal objetivo estudar diferentes técnicas de simulação numérica do comportamento sísmico de estruturas de betão armado. São descritas as principais características das metodologias de simulação numérica mais utilizadas tanto em gabinete de projeto como em estudos de investigação. É dada especial atenção às análises dinâmicas não lineares, uma vez que esta técnica foi utilizada para simular o comportamento de uma estrutura de betão armado de um piso, que foi ensaiada no âmbito da 15ª Conferência Mundial em Engenharia Sísmica. Para avaliar a capacidade de simulação desta técnica, os resultados numéricos são diretamente comparados com os resultados experimentais, sendo possível verificar uma boa concordâncias entre ambos.

Implementação da rotina de unfolding para determinação de distribuição de tamanho de grãos esféricos via distribuição de interceptos lineares e de área de seção

Na unfolding method of linear intercept distributions and secction área distribution was implemented for structures with spherical grains. Although the unfolding routine depends on the grain shape, structures with spheroidal grains can also be treated by this routine. Grains of non-spheroidal shape can be treated only as approximation. A software was developed with two parts. The first part calculates the probability matrix. The second part uses this matrix and minimizes the chi-square. The results are presented with any number of size classes as required. The probability matrix was determined by means of the linear intercept and section area distributions created by computer simulation. Using curve fittings the probability matrix for spheres of any sizes could be determined. Two kinds of tests were carried out to prove the efficiency of the Technique. The theoretical tests represent ideal cases. The software was able to exactly find the proposed grain size distribution. In the second test, a structure was simulated in computer and images of its slices were used to produce the corresponding linear intercept the section area distributions. These distributions were then unfolded. This test simulates better reality. The results show deviations from the real size distribution. This deviations are caused by statistic fluctuation. The unfolding of the linear intercept distribution works perfectly, but the unfolding of section area distribution does not work due to a failure in the chi-square minimization. The minimization method uses a matrix inversion routine. The matrix generated by this procedure cannot be inverted. Other minimization method must be used