Modelação numérica de corpos flutuantes – extratores pontuais

Os conversores pontuais de energia das ondas baseiam-se no movimento de um flutuador. Neste trabalho modela-se a resposta de um corpo flutuante quando excitado por ondas regulares e irregulares. Ao contrário da engenharia naval, onde se pretende minimizar os movimentos de um navio face à agitação, na conversão da energia das ondas interessa que o comportamento do corpo flutuante seja ressonante. No entanto, ambos os problemas são modelados pelos mesmos modelos matemáticos. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo numérico que permita conhecer o movimento do flutuador quando livre ou ligado a um sistema de conversão de energia Power Take-off (PTO). Nesta dissertação considera-se que o corpo tem apenas liberdade para efetuar movimentos de arfagem. A resolução numérica da dinâmica do extrator apoia-se na teoria linear, sendo nesta dissertação efetuada com recurso ao código comercial Ansys – AQWA, de utilização comum em problemas offshore. Numa primeira fase simulam-se situações para as quais existem resultados publicados na bibliografia, validando-se a metodologia utilizada. Posteriormente, estuda-se o comportamento do sistema de extração para ondas regulares e estados do mar típicos. Variam-se os coeficientes de amortecimento, elásticos e a massa quer do flutuador quer do sistema PTO, otimizando a extração de energia. Utilizam-se análises no tempo e na frequência. O estudo permitiu concluir que é fundamental, do ponto de vista da eficiência energética, que o sistema funcione com características ressonantes, o que é conseguido quando a velocidade do flutuador está em fase com a força de excitação hidrodinâmica. O ajuste da condição de ressonância é conseguida variando os coeficientes elásticos e massa do PTO ou a massa do flutuador.

Desenvolvimento experimental e simulação numérica em soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica

A soldadura por fricção linear (SFL) é um processo de ligação no estado sólido com capacidade para soldar materiais dissimilares e ligas metálicas de baixa soldabilidade. Contudo, nas juntas soldadas com uma configuração topo-a-topo é possível o aparecimento de defeitos na raiz do cordão, nomeadamente, de falta de penetração e de alinhamentos de óxidos. Estes defeitos são responsáveis pela diminuição da resistência mecânica das juntas, sobretudo quando sujeitas a esforços de fadiga. Existem variantes do processo para eliminar este tipo de defeitos, no entanto, verificam-se algumas dificuldades tecnológicas e a competitividade do processo é afetada. No âmbito deste trabalho desenvolveu-se uma variante do processo designado soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica (SFLAE). Esta variante consiste em introduzir uma corrente elétrica de elevada intensidade na zona da raiz do cordão, por forma a que o calor gerado por efeito de Joule aqueça o material e aumente o fluxo visco-plástico nessa zona, tendo em vista atenuar ou eliminar os defeitos na raiz. Foram concebidas e produzidas ferramentas de SFL dedicadas, melhorado um modelo analítico do processo, realizadas simulações numéricas para permitir compreender alguns fenómenos físicos envolvidos no processo, e realizados ensaios experimentais de validação. A análise aos cordões permitiu observar uma diminuição da espessura dos defeitos na raiz em três ensaios realizados na liga AA1100 e AA6084-T6 usando intensidades de corrente de 300 A. Dos resultados de microdureza e de medição de condutividade elétrica é possível concluir que a microestrutura do material não é significativamente alterada pela passagem de corrente elétrica.

Método dos elementos aplicados na simulação numérica do arrancamento de armaduras

Uma das propriedades do betão armado que foi alvo de maior número de estudos, ao longo dos tempos, é a aderência. Esta é uma das propriedades mais importantes a considerar na construção, pois dela depende o desempenho e estabilidade de uma estrutura. Dada a sua importância, a aderência é a propriedade do betão armado mais estudada ao longo do tempo. A complexidade inerente a esta propriedade torna difícil de compreender e prever o comportamento estrutural. Esta dissertação pretende analisar a capacidade do Método dos Elementos Aplicados em simular o ensaio de arrancamento directo e de reproduzir modos de rotura. Este ensaio, denominado de pull-out test, estuda a aderência entre três materiais: o aço, o betão e o grout. Vários tipos de ligações, com diferentes modos de rotura, são simulados e comparados com um ensaio experimental referido na revisão bibliográfica. Assim, recorrer-se-á ao programa Extreme Loading for Structures, que tem como base o Método dos Elementos Aplicados. Através de uma análise de sensibilidade foi possível calibrar as propriedades dos diferentes elementos e das interfaces entre o betão, aço e grout, de modo a viabilizar o cálculo da força crítica das ligações e reproduzir os modos de rotura observados experimentalmente. Este trabalho pretende dar uma contribuição ao conhecimento no âmbito da simulação numérica, em relação a este tipo de ligações, e ajudar à criação de modelos numéricos fiáveis e eficientes de fácil e rápida execução. Esta dissertação permite concluir que o Método dos Elementos Aplicados, apresenta-se como uma boa solução para o estudo deste tipo de ligações. Os resultados numéricos tiveram uma boa aproximação dos resultados experimentais. Em conformidade com a análise experimental, as ligações com bainha de pré-esforço e comprimento de embebimento a partir de 15 cm são as que melhor desempenho têm ao nível da resistência.

Avaliação da qualidade térmica da envolvente de edifícios – Estudo de caso através da análise numérica e por termografia infravermelha

O desempenho térmico de um edifício é um factor de enorme relevo no conforto térmico dos seus ocupantes. Em edifícios existentes, devido às técnicas construtivas empregues, este desempenho tende a ser mais fraco. A termografia por infravermelhos é uma técnica de ensaio, que é utilizada no ramo da engenharia civil há mais de três décadas, em vários tipos de ensaios. A análise termográfica é um método de ensaio não destrutivo, rápido e eficaz, o que a torna uma mais-valia no campo do diagnóstico e manutenção preditiva. O objectivo deste trabalho é avaliar a qualidade térmica da envolvente de edifícios através de uma análise experimental utilizando como recurso a termografia infravermelha. A análise termográfica foi realizada em dois edifícios unifamiliares das décadas de 80 e 90, nos quais foram captadas imagens termográficas para análise da distribuição de temperaturas ao longo da envolvente exterior. Observando os resultados obtidos através desta análise, e estabelecendo uma comparação com os resultados obtidos através da modelação numérica utilizando o software BISCO, foi possível caracterizar a qualidade térmica das respectivas envolventes e identificar diferenças entre os resultados obtidos através dos dois métodos. Na parte final do trabalho, é sugerida uma proposta de melhoria para os edifícios analisados, procedendo-se à modelação numérica da aplicação de algumas soluções de reforço de isolamento térmico, de forma a observar o impacto que as mesmas teriam na melhoria do comportamento térmico dos mesmos.

Simulação numérica da propagação e rebentação de ondas utilizando o código OpenFoam

Esta dissertação teve o intuito de validar o código numérico do OpenFoam para problemas na área da hidrodinâmica e propagação de ondas. Para a geração de ondas através do código numérico recorreu-se ao solver Waves2Foam, uma ferramenta do OpenFoam baseada no InterFoam, solver baseado no método VoF (Volume of fluid) com a implementação de zonas de relaxamento para a geração e dissipação da energia das ondas. Os casos simulados nesta dissertação tiveram o objectivo de testar a ferramenta para diferentes condições de propagação de ondas e diferentes teorias. Assim é apresentado um caso bidimensional com fundo horizontal e profundidade considerada infinita e outro bidimensional com fundo variável de forma a verificar a ocorrência ou não de rebentação, ambos para ondas regulares de primeira ordem ou ondas de Airy. Além dos casos bidimensionais também são apresentados dois casos tridimensionais com fundo variável, para ondas regulares e bicromáticas e em situação com e sem rebentação. Tanto o caso bidimensional de profundidade variável como o primeiro caso tridimensional foram baseados em ensaios e dados experimentais realizados num canal de profundidade variável para ondas regulares em situação com e sem rebentação. O segundo caso tridimensional também foi baseado em ensaios experimentais no mesmo canal de fundo variável para ondas geradas bicromáticas em situação com e sem rebentação. Através das simulações realizadas pode-se concluir que para casos de propagação de ondas sem rebentação o solver Waves2Foam obtém bons resultados. Já nos casos com rebentação os resultados apresentam alguma discrepância devida à não utilização de modelos de turbulência. No geral, o código numérico do OpenFoam dá bons resultados para resolver problemas de hidrodinâmica através de ondas regulares e de ondas bicromáticas.

Simulação numérica da interação de ondas com um quebra-mar poroso utilizando o código OpenFoam

O principal objetivo desta dissertação é explorar o potencial do código OpenFoam, no estudo de problemas de engenharia costeira, mais especificamente a interação de ondas com quebra-mares porosos. Neste sentido, inicialmente é realizada a validação do código numérico porousInterFoam, onde é estudada a dependência de malha e de modelos de turbulência. Conclui-se que os resultados numéricos obtidos apresentam uma boa correlação com os experimentais. Em seguida é feita uma comparação com outros códigos numéricos, nomeadamente o porousWaveFoam e o IHFOAM onde se verificam resultados idênticos. Por fim, é realizada uma simulação através do porousWaveFoam, da interação de uma onda regular com um quebra-mar poroso, e conclui-se, comparando os resultados obtidos com os resultados dos ensaios experimentais no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), que a elevação da superfície livre é bem modelada.

Modelação numérica de entrada em ponte ferroviária

O crescente interesse pelo transporte ferroviário de alta-velocidade como transporte de médio curso obriga ao estudo do comportamento de vias-férreas para cumprir requisitos funcionais. As zonas de transição são um dos locais problemáticos que requerem um estudo aprofundado, onde a modelação numérica surge como uma poderosa ferramenta de análise. Neste trabalho é analisado o comportamento de um modelo numérico bidimensional de uma entrada numa ponte ferroviária situada sobre o Rio Sado e que faz parte da variante de Alcácer do Sal. Trata-se de um modelo numérico bidimensional de elementos lineares elásticos com uma execução mais rápida em relação a outros modelos. A resposta deste modelo é comparada com resultados de um modelo numérico tridimensional validado na mesma transição. Para atingir resultados fiáveis, o modelo bidimensional foi alvo de uma parametrização precisa que consistiu num processo de calibração com o modelo tridimensional referido anteriormente. As curvas de receptância da via foram o principal meio de calibração entre os dois modelos. Deste modo, realizou-se um estudo paramétrico de ambos os modelos para avaliar a influência de diversos parâmetros no cálculo de curvas de receptância. Analisou-se, também, o comportamento deste modelo para diferentes velocidades de circulação do veículo. Dentro deste campo foi dado especial atenção ao fenómeno da velocidade crítica de um veículo num solo flexível.

Modelação numérica do carregamento de uma estrutura confinada sujeita a uma onda de choque explosiva

A ocorrência de explosões em indústrias e em infraestruturas civis quer acidentais quer devido a ataques terroristas, vêm colocando à engenharia cada vez maiores desafios relativos à conceção de soluções que aumentem a proteção dessas infraestruturas contra os efeitos das explosões. Neste trabalho, utilizou-se um hidrocódigo comercial, o LS-DYNA, no tratamento e simulação de problemas envolvendo ondas de choque explosivas tendo-se realizado um estudo paramétrico do efeito da detonação de um alto explosivo no interior de um compartimento fechado, de geometria prismática retangular, em que as dimensões foram sendo variadas. Foi necessário calibrar previamente o modelo geométrico escolhido bem como os parâmetros utilizados para gerar a onda de choque explosiva, de forma a assegurar a consistência dos resultados, dado que não foi possível a realização de ensaios experimentais. Foi utilizada uma malha multimaterial Arbitrária Lagrangiana-Euleriana (MMALE), com recurso a elementos sólidos com um único ponto de integração, recorrendo ao método das diferenças finitas centrais para as integrações em relação ao tempo, tendo-se utilizado como base de calibração a literatura consultada. Os dados obtidos no estudo paramétrico foram tratados recorrendo a métodos estatísticos de regressão de forma a se obter uma relação fenomenológica para prever as pressões máximas dentro de um compartimento.

Modelação numérica da reflexão e do espraiamento em praias e em estruturas marítimas

As preocupações de projetistas na conceção de estruturas marítimas utilizando modelos numéricos como ferramentas de dimensionamento, prendem-se com a sua fiabilidade, tempo de processamento e precisão. Assim, a calibração e validação de modelos numéricos é essencial para os tornar ferramentas úteis para o projeto de obras marítimas. A presente dissertação tem como objetivo a calibração e validação do modelo numérico AMAZON, baseado na teoria da onda em condições de águas pouco profundas, para dois casos de estudo distintos com base em dados de ensaios realizados anteriormente. O primeiro caso consiste no estudo do espraiamento numa praia barra-fossa cujas condições de batimetria, nível da água e condições de agitação marítima inseridas no AMAZON correspondem às de ensaios em modelo físico realizados à escala 1:5 na Universidade Politécnica da Catalunha, Barcelona. Como o modelo utiliza parâmetros que devem ser calibrados, na sua aplicação e exploração realizou-se um estudo de sensibilidade a esses parâmetros. Com base nos resultados do AMAZON, utilizaram-se programas desenvolvidos em MatLab para o cálculo do espraiamento e do coeficiente de reflexão e compararam-se os resultados com os obtidos nos ensaios em modelo físico. Verificou-se que os resultados do AMAZON são bastante próximos dos valores obtidos pelos ensaios. O segundo caso consiste no estudo de uma estrutura conversora de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante - OWC-WEC (Oscillating Water Column - Wave Energy Converter), para a qual o modelo AMAZON nunca tinha sido utilizado. Os dados introduzidos no modelo relativos ao perfil da estrutura, nível da água e condições de agitação correspondem aos dos ensaios realizados à escala 1:35 no LNEC (Laboratório Nacional de Engenharia Civil). Realizou-se um estudo de sensibilidade dos parâmetros do modelo no que respeita à elevação da superfície livre junto e no interior da câmara de água, ao fator de amplificação e ao desfasamento, e compararam-se os resultados com os obtidos nos ensaios em modelo físico. Os resultados do AMAZON constituem um incentivo para a realização e/ou análise de ensaios para diferentes profundidades, aberturas da parede vertical da câmara de água e períodos de onda incidente, que permitam calibração e validação adicionais dos parâmetros do modelo.

Simulação numérica do comportamento termomecânico do envolvimento em betão da espiral de uma turbina hidroelétrica

Em grandes massas de betão, a natureza exotérmica das reações de hidratação do cimento promove uma forte elevação da temperatura. A baixa condutibilidade térmica do betão induz o aparecimento de consideráveis gradientes de temperatura, que caso não sejam controlados podem originar a fendilhação do betão nas primeiras idades. O presente artigo contém a análise termomecânica do envolvimento em betão da espiral de uma turbina de uma barragem, com vista à avaliação do risco de fendilhação térmica daquele material. O estudo inclui a monitorização in-situ de temperaturas e extensões, bem como a caraterização laboratorial do betão.

Análise experimental e numérica da conexão aço-betão leve realizada com pernos de cabeça

O presente trabalho procura abordar a modelação numérica da conexão entre o perfil metálico e a laje de betão, quando se utilizam conectores do tipo perno e betão leve. Utilizam se elementos finitos de volume para definir todos os elementos presentes na ligação, recorrendo ao software ATENA 3D. A partir dos modelos desenvolvidos procura-se avaliar quais os parâmetros relevantes para o comportamento da conexão aço betão leve. Recorre-se a resultados de ensaios de tipo push out anteriormente realizados na Universidade do Minho para validar os modelos numéricos desenvolvidos.

Os efeitos do ambiente térmico: avaliação subjetiva e numérica

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia e Gestão Industrial

Sete motivações teóricas para o uso da modelagem baseada no indivíduo em ecologia

A modelagem baseada no indivíduo tem sido crescentemente empregada para analisar processos ecológicos, desenvolver e avaliar teorias, bem como para fins de manejo da vida silvestre e conservação. Os modelos baseados no indivíduo (MBI) são bastante flexíveis, permitem o uso detalhado de parâmetros com maior significado biológico, sendo portanto mais realistas do que modelos populacionais clássicos, mais presos dentro de um rígido formalismo matemático. O presente artigo apresenta e discute sete razões para a adoção dos MBI em estudos de simulação na Ecologia: (1) a inerente complexidade de sistemas ecológicos, impassíveis de uma análise matemática formal; (2) processos populacionais são fenômenos emergentes, resultando das interações entre seus elementos constituintes (indivíduos) e destes com o meio; (3) poder de predição; (4) a adoção definitiva, por parte da Ecologia, de uma visão evolutiva; (5) indivíduos são entidades discretas; (6) interações são localizadas no espaço e (7) indivíduos diferem entre si.