Desenvolvimento e otimização de antenas Vivaldi antipodais para aplicações a altas frequências.

Esta tese propõe a síntese e o estudo de uma nova técnica de cavidades de borda aplicada a antenas Vivaldi, com o intuito de melhorar suas características de diretividade. Embora as antenas do tipo Vivaldi possuam características diretivas, elas produzem radiações laterais indesejáveis, o que se reflete nos elevados índices de lóbulos laterais devido a correntes superficiais que fluem ao longo das bordas metalizadas nas laterais da antena. Estas correntes são a origem das radiações laterais que vêm sendo mitigadas pela aplicação de cavidades ressonantes, triangulares ou retangulares, que aprisionam tais correntes e, consequentemente, atenuam os lóbulos laterais, sem o incremento do lóbulo principal, uma vez que toda a energia dos lóbulos laterais é apenas confinada nos ressonadores e por isso literalmente perdida. Ao contrário desses esforços, este trabalho propõe cavidades radiantes tanto na forma de abertura exponencial, como na forma do fractais de Koch, que funcionam como radiadores auxiliares (antenas auxiliares), canalizando as correntes de borda e aproveitando-as para aumentar os níveis do lóbulo principal, mitigando os níveis de lóbulo lateral. A síntese desta nova técnica foi implementada em uma antena Vivaldi antipodal com características de baixa diretividade, como qualquer antena Vivaldi, o que foi corrigido e a aplicação da técnica de cavidades radiantes deu origem a duas novas antenas Vivaldis efetivamente diretivas. Os resultados foram obtidos através de simulações do modelo numérico no CST Microwave Studio e confirmados com medidas de laboratório, o que evidenciou a melhora das características de diretividade da antena pela aplicação da nova técnica de cavidades radiantes.

Avaliação do erro estático da ferramenta de uma máquina fresadora com arquitetura paralela.

Os mecanismos amplamente utilizados em aplicações industriais são de tipo serial, porém há algum tempo vem sendo desenvolvidos estudos sobre as vantagens que os mecanismos de arquitetura paralela oferecem em contraposição com os seriais. Rigidez, precisão, altas frequências naturais e velocidade são algumas características que os mecanismos paralelos atribuem a máquinas já consolidadas na indústria, destinadas principalmente nas operações de manipulação (pick and place). Nesse sentido, é relevante o estudo sobre a funcionalidade em outros tipos de operação como a usinagem e, particularmente o fresamento. Para isto, devem-se ainda explorar e desenvolver as capacidades dos mecanismos paralelos em relação à rigidez e à precisão nas operações mencionadas. Foi desenvolvido previamente o projeto e montagem do protótipo de uma máquina fresadora de arquitetura paralela. Também aracterizado pela redundância na atuação para o posicionamento da ferramenta. Com este intuito, pretende-se no trabalho atual, avaliar o erro estático de posicionamento da ferramenta por métodos experimentais, quantificar os deslocamentos, realizar um mapeamento experimental em diversas configurações dos membros. Por outro lado, pretende-se adaptar um modelo numérico simplificado que possa prever as deformações elásticas em diversas configurações, que contemple o efeito de juntas lineares flexíveis e que de alguma forma ajude a identificar as principais fontes de erro. Para tal, foram elaboradas rotinas de programação que através da cinemática inversa e o uso do método dos elementos finitos tentem prever o que de fato acontece nos experimentos. Foi proposta também uma implementação alternativa para o controle do mecanismo através de um software CNC e a conversão de coordenadas cartesianas em coordenadas dos atuadores, isto ajudaria na geração do código G. Finalmente, foram elaboradas algumas trajetórias que tentam avaliar a exatidão e repetitividade do mecanismo além de descrever outras trajetórias livres.

Comportamento estrutural de pontes logísticas do tipo Mabey do Exército Português

Nesta dissertação apresenta-se o estudo do comportamento estrutural da ponte logística modular do tipo Mabey, utilizada pelo Exército Português para apoio logístico às operações militares e, quando disponível, à população. Neste sentido, foi desenvolvido um modelo numérico de elementos finitos, em que foram aplicadas as ações permanentes e variáveis correspondentes a uma utilização civil e militar. A calibração do modelo foi feita comparando os resultados obtidos com as medições “in-situ” de um ensaio de carga realizado, e as informações fornecidas no catálogo do fabricante. A avaliação da segurança estrutural última e em condições de serviço foi realizada nos termos regulamentares, permitindo evidenciar os aspetos importantes do comportamento estrutural deste tipo de estruturas. Uma vez que a ação militar não é contemplada de uma forma direta na atual regulamentação, efetuou-se um estudo do comportamento dinâmico de interação veículo-estrutura, simulando a circulação de veículos militares reais a diversas velocidades, e avaliando as deformações, as acelerações e os esforços dinâmicos nos elementos estruturais principais. A análise realizada demonstra o bom comportamento estrutural da ponte logística tipo Mabey mesmo tendo em consideração as ações regulamentares da Parte 2 do Eurocódigo 1. O comportamento dinâmico da estrutura para veículos militares reais não conduziu a solicitações superiores às obtidas por consideração das ações regulamentares, embora se considere necessário realizar um estudo deste tipo no caso de veículos militares com configurações ou condições de circulação diferentes das que aqui se apresenta.

Intervenção no Prédio Militar N.º 50, em Lisboa, antiga Fundição de Canhões

O Exército Português tem à sua guarda um importante património construído, muitas vezes localizado no centro histórico de núcleos urbanos, o qual, ao longo dos anos teve várias ocupações, tendo por isso sofrido intervenções várias, mais ou menos intrusivas. Devido ao interesse manifestado pela instituição em reabilitar edifícios localizados no centro de Lisboa com vista a novas utilizações, nomeadamente para a instalação do Pólo Cultural do Exército, foi realizado um estudo no âmbito da presente dissertação de mestrado sobre um edifício integrante do Prédio Militar nº 50 (PM050/Lisboa), cuja origem remonta ao século XVIII. Face à proposta de utilização do objeto de estudo como arquivo histórico, neste trabalho é feita a caracterização da construção existente e a análise da sua adequação estrutural para acomodar este tipo de utilização. Inicialmente foi feita uma inspeção ao edifício para identificação das anomalias e problemas estruturais visíveis, em seguida foram consultados todos os documentos e projetos que pudessem conter informação sobre o mesmo. Face à falta de informação sobre os materiais utilizados nos elementos estruturais, foram realizados ensaios não-destrutivos para a caracterização das suas propriedades mecânicas, assim como uma pesquisa e análise dos regulamentos em vigor à data da sua construção. Posteriormente, foi construído um modelo numérico com recurso ao programa SAP2000 (Structural Analysis Program 2000) para avaliar a capacidade resistente da estrutura. Por fim foram elaboradas algumas propostas de intervenção. Concluiu-se haver necessidade de reforço nas alvenarias, as quais apresentam um mau comportamento às ações sísmicas. Relativamente aos elementos de betão armado, a baixa resistência dos materiais utilizados, o sistema estrutural adoptado e a degradação em alguns locais implicam igualmente a sua necessidade de reforço. A proposta de intervenção apresentada tem por objetivo servir de base à elaboração de um projeto de reforço, caso se avance com a reabilitação do edifício, sendo necessário realizar um estudo mais aprofundado.

Análise numérica de dutos enterrados sujeitos a elevação e recalque localizado

Problems associated to longitudinal interactions in buried pipelines are characterized as three-dimensional and can lead to different soil-pipe issues. Despite the progress achieved in research on buried pipelines, little attention has been given to the three-dimensional nature of the problem throughout the last decades. Most of researches simplify the problem by considering it in plane strain condition. This dissertation aims to present a study on the behavior of buried pipelines under local settlement or elevation, using three-dimensional simulations. Finite element code Plaxis 3D was used for the simulations. Particular aspects of the numerical modeling were evaluated and parametric analyzes were performed, was investigated the effects of soil arching in three-dimensional form. The main variables investigated were as follows: relative density, displacement of the elevation or settlement zone, elevated zone size, height of soil cover and pipe diameter/thickness ratio. The simulations were performed in two stages. The first stage was involved the validation of the numerical analysis using the physical models put forward by Costa (2005). In the second stage, numerical analyzes of a full-scale pipeline subjected to a localized elevation were performed. The obtained results allowed a detailed evaluation of the redistribution of stresses in the soil mass and the deflections along the pipe. It was observed the reduction of stresses in the soil mass and pipe deflections when the height of soil cover was decreased on regions of the pipe subjected to elevation. It was also shown for the analyzed situation that longitudinal thrusts were higher than vi circumferential trusts and exceeded the allowable stresses and deflections. Furthermore, the benefits of minimizing stress with technical as the false trench, compressible cradle and a combination of both applied to the simulated pipeline were verified

Análise do fluxo d’água na barragem Engenheiro Armando Ribeiro Gonçalves - Açu/RN

The solution of partial differential equation of seepage problems is difficult to find analytically, especially for situations that involve great complexity. To overcome this problem, software based on finite differences and finite elements are usually used. This work presents the use of a finite element software, the GEO5, to solve the seepage problem at a dam of very complex section, the dam Eng. Armando Ribeiro Gonçalves, which at the end of its construction suffered rupture of the upstream slope at the central dam and then went through a process of reconstruction and auscultation. The analyses were performed for the operating condition of the reservoir, with an established flow. A numerical model was developed based on the level readings of the reservoir water and their piezometric readings as a proposal for the evaluation and future behavior prediction of the dam on established flow conditions. The use of constitutive models with the aid of computer systems is reflected in a way to predict future risk situations so they can be prevented

Um estudo sobre a variabilidade do vento no nordeste do Brasil através de métodos estatísticos e via modelos dinâmicos de meso e micro escala

The objective of this study was to determine the seasonal and interannual variability and calculate the trends of wind speed in NEB and then validate the mesoscale numerical model for after engage with the microscale numerical model in order to get the wind resource at some locations in the NEB. For this we use two data sets of wind speed (weather stations and anemometric towers) and two dynamic models; one of mesoscale and another of microscale. We use statistical tools to evaluate and validate the data obtained. The simulations of the dynamic mesoscale model were made using data assimilation methods (Newtonian Relaxation and Kalman filter). The main results show: (i) Five homogeneous groups of wind speed in the NEB with higher values in winter and spring and with lower in summer and fall; (ii) The interannual variability of the wind speed in some groups stood out with higher values; (iii) The large-scale circulation modified by the El Niño and La Niña intensified wind speed for the groups with higher values; (iv) The trend analysis showed more significant negative values for G3, G4 and G5 in all seasons and in the annual average; (v) The performance of dynamic mesoscale model showed smaller errors in the locations Paracuru and São João and major errors were observed in Triunfo; (vi) Application of the Kalman filter significantly reduce the systematic errors shown in the simulations of the dynamic mesoscale model; (vii) The wind resource indicate that Paracuru and Triunfo are favorable areas for the generation of energy, and the coupling technique after validation showed better results for Paracuru. We conclude that the objective was achieved, making it possible to identify trends in homogeneous groups of wind behavior, and to evaluate the quality of both simulations with the dynamic model of mesoscale and microscale to answer questions as necessary before planning research projects in Wind-Energy area in the NEB

Timing ótimo para investir na proteção costeira na zona centro de Portugal

A presente dissertação insere-se no âmbito da gestão das zonas costeiras, que na atualidade enfrentam um grave problema de erosão. Este torna-se um problema social com especial importância devido à concentração populacional e atividade económica que se verifica nas regiões litorais. Neste contexto muitos têm sido os estudos físicos e económicos levados a cabo no sentido de encontrar soluções para lidar com este problema. O principal objetivo desta dissertação foi avaliar qual a importância que o timing em que é efetuado o investimento na proteção pode ter na defesa das zonas costeiras. Por outras palavras, perceber se existem ou não vantagens em adiar o investimento na proteção por um determinado período de tempo. Foi definida como área de estudo o trecho costeiro de 20 km compreendido entre a Praia da Barra (Aveiro) e a Praia de Mira (Coimbra). Através da utilização do modelo numérico Long-Term Configuration (LTC) foi simulada a evolução da linha de costa por um período de 80 anos, seguida de uma análise custo-benefício ambiental em que foi considerada a possibilidade de investimentos em estruturas de defesa (no caso desta dissertação esporões com 100m, 200m e 300m de comprimento) a serem efetuados após 0, 10, 20 ou 30 anos. Foram também contempladas restrições orçamentais, e ainda, efetuada uma análise de sensibilidade à taxa de desconto utilizada. Os resultados mostram que quanto mais cedo se iniciar proteção das zonas costeiras, mais benefícios económicos serão retirados desse investimento. Os cenários que se apresentaram como os mais vantajosos são aqueles em que o investimento é levado a cabo no Ano 0 e onde se opta por uma proteção integral ou quase integral da linha de costa. Ainda assim, em todos os timings de investimento analisados foi possível encontrar cenários economicamente viáveis e dos quais resultariam benefícios económicos. A análise com inclusão de restrições orçamentais mostra que a utilização destas deixa de fazer sentido à medida que o investimento é adiado, funcionando então o próprio retardar do investimento como uma medida de contenção orçamental. A análise de sensibilidade à taxa de desconto revelou que a opção por uma taxa de desconto de 4% acaba por não influenciar de maneira significativa os resultados obtidos.

Exergetic, energetic, economic and environmental evaluation of concentrated solar power plants in Libya

The PhD project addresses the potential of using concentrating solar power (CSP) plants as a viable alternative energy producing system in Libya. Exergetic, energetic, economic and environmental analyses are carried out for a particular type of CSP plants. The study, although it aims a particular type of CSP plant – 50 MW parabolic trough-CSP plant, it is sufficiently general to be applied to other configurations. The novelty of the study, in addition to modeling and analyzing the selected configuration, lies in the use of a state-of-the-art exergetic analysis combined with the Life Cycle Assessment (LCA). The modeling and simulation of the plant is carried out in chapter three and they are conducted into two parts, namely: power cycle and solar field. The computer model developed for the analysis of the plant is based on algebraic equations describing the power cycle and the solar field. The model was solved using the Engineering Equation Solver (EES) software; and is designed to define the properties at each state point of the plant and then, sequentially, to determine energy, efficiency and irreversibility for each component. The developed model has the potential of using in the preliminary design of CSPs and, in particular, for the configuration of the solar field based on existing commercial plants. Moreover, it has the ability of analyzing the energetic, economic and environmental feasibility of using CSPs in different regions of the world, which is illustrated for the Libyan region in this study. The overall feasibility scenario is completed through an hourly analysis on an annual basis in chapter Four. This analysis allows the comparison of different systems and, eventually, a particular selection, and it includes both the economic and energetic components using the “greenius” software. The analysis also examined the impact of project financing and incentives on the cost of energy. The main technological finding of this analysis is higher performance and lower levelized cost of electricity (LCE) for Libya as compared to Southern Europe (Spain). Therefore, Libya has the potential of becoming attractive for the establishment of CSPs in its territory and, in this way, to facilitate the target of several European initiatives that aim to import electricity generated by renewable sources from North African and Middle East countries. The analysis is presented a brief review of the current cost of energy and the potential of reducing the cost from parabolic trough- CSP plant. Exergetic and environmental life cycle assessment analyses are conducted for the selected plant in chapter Five; the objectives are 1) to assess the environmental impact and cost, in terms of exergy of the life cycle of the plant; 2) to find out the points of weakness in terms of irreversibility of the process; and 3) to verify whether solar power plants can reduce environmental impact and the cost of electricity generation by comparing them with fossil fuel plants, in particular, Natural Gas Combined Cycle (NGCC) plant and oil thermal power plant. The analysis also targets a thermoeconomic analysis using the specific exergy costing (SPECO) method to evaluate the level of the cost caused by exergy destruction. The main technological findings are that the most important contribution impact lies with the solar field, which reports a value of 79%; and the materials with the vi highest impact are: steel (47%), molten salt (25%) and synthetic oil (21%). The “Human Health” damage category presents the highest impact (69%) followed by the “Resource” damage category (24%). In addition, the highest exergy demand is linked to the steel (47%); and there is a considerable exergetic demand related to the molten salt and synthetic oil with values of 25% and 19%, respectively. Finally, in the comparison with fossil fuel power plants (NGCC and Oil), the CSP plant presents the lowest environmental impact, while the worst environmental performance is reported to the oil power plant followed by NGCC plant. The solar field presents the largest value of cost rate, where the boiler is a component with the highest cost rate among the power cycle components. The thermal storage allows the CSP plants to overcome solar irradiation transients, to respond to electricity demand independent of weather conditions, and to extend electricity production beyond the availability of daylight. Numerical analysis of the thermal transient response of a thermocline storage tank is carried out for the charging phase. The system of equations describing the numerical model is solved by using time-implicit and space-backward finite differences and which encoded within the Matlab environment. The analysis presented the following findings: the predictions agree well with the experiments for the time evolution of the thermocline region, particularly for the regions away from the top-inlet. The deviations observed in the near-region of the inlet are most likely due to the high-level of turbulence in this region due to the localized level of mixing resulting; a simple analytical model to take into consideration this increased turbulence level was developed and it leads to some improvement of the predictions; this approach requires practically no additional computational effort and it relates the effective thermal diffusivity to the mean effective velocity of the fluid at each particular height of the system. Altogether the study indicates that the selected parabolic trough-CSP plant has the edge over alternative competing technologies for locations where DNI is high and where land usage is not an issue, such as the shoreline of Libya.

Projeto de reforço de um edifício de habitação

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Estruturas

Modelización térmica del proceso de diamantado

Realización de un modelo numérico mediante elementos finitos del proceso de diamantado, mediante el cual ser capaces de determinar el flujo de calor entrante en el diamante.

Numerical analysis of wooden slabs with perforations under fire conditions

Wood is considered an ideal solution for floors and roofs building construction, due the mechanical and thermal properties, associated with acoustic conditions. These constructions have good sound absorption, heat insulation and relevant architectonic characteristics. They are used in many civil applications: concert and conference halls, auditoriums, ceilings, walls… However, the high vulnerability of wooden elements submitted to fire conditions requires the evaluation of its structural behaviour with accuracy. The main objective of this work is to present a numerical model to assess the fire resistance of wooden cellular slabs with different perforations. Also the thermal behaviour of the wooden slabs will be compared considering different material insulation, with different sizes, inside the cavities. A transient thermal analysis with nonlinear material behaviour will be solved using ANSYS© program. This study allows to verify the fire resistance, the temperature evolution and the char-layer, throughout a wooden cellular slab with perforations and considering the insulation effect inside the cavities.

Validación de la simulación numérica del flujo bifásico hidrodinámico en sistemas de lecho fluido

Este trabajo tiene como objetivo la mejora en la validación de la simulación numérica del flujo bifásico característico del transporte de lecho fluido, mediante la formulación y desarrollo de un modelo numérico combinado Volúmenes Finitos - Elementos Finitos. Para ello se simula numéricamente el flujo de mezcla sólido-gas en una Cámara de Lecho Fluido, bajo implementación en código COMSOL, cuyos resultados son mejores comparativamente a un modelo basado en el método de Elementos Discretos implementado en código abierto MFIX. El problema fundamental de la modelización matemática del fenómeno de lecho fluido es la irregularidad del dominio, el acoplamiento de las variables en espacio y tiempo y, la no linealidad. En esta investigación se reformula apropiadamente las ecuaciones conservativas del fenómeno, tales que permitan obtener un problema variacional equivalente y solucionable numéricamente. Entonces; se define una ecuación de estado en función de la presión hidrodinámica y la fracción volumétrica de sólidos, quedando desacoplado el sistema en tres sub-problemas, garantizando así la existencia de solución del problema general. Una vez aproximados numéricamente ambos modelos, se comparan los resultados de donde se observa que el modelo materia del presente artículo, verifica de forma más eficaz las condiciones de mezcla óptima, reflejada en la calidad del burbujeo y velocidad de mezcla.

Análise de tensões em materiais sólidos de espumas de poliuretano rígidas sob furação

Em diferentes áreas da medicina existem processos cirúrgicos que envolvem a furação de tecido ósseo, dependendo o seu sucesso da conjugação de diversos parâmetros. A previsão e o controlo dos parâmetros envolvidos são fundamentais para a redução do dano no tecido ósseo. Este trabalho de investigação tem como objetivo avaliar o estado de tensão gerado durante o processo de furação utilizando materiais sólidos de espumas de poliuretano rígidas com características similares ao osso humano. Durante a furação dos materiais sólidos são utilizados métodos experimentais, baseados na extensometria e na termografia, para análise das deformações e da temperatura na broca. Os parâmetros envolvidos na furação são a velocidade de rotação e a geometria da broca constantes em diferentes testes, sendo variável a velocidade de avanço. Em simultâneo, foi desenvolvido um modelo numérico de formulação explícita, com recurso ao método de elementos finitos, através do programa LS-DYNA. Os resultados permitem obter o campo de tensões nos materiais sólidos em função dos diferentes parâmetros de furação. Para a mesma velocidade de rotação e geometria da broca, a diminuição na velocidade de avanço provoca o aumento do nível de tensão. Em relação à resistência mecânica da espuma de poliuretano rígida utilizada, e para a zona de medição instrumentada, não há registo de dano material. O dano é provocado na zona de furação pela remoção do material.

Avaliação do comportamento dinâmico da torre sineira da Sé Catedral do Funchal

O objetivo principal deste trabalho consiste na caracterização dinâmica da Torre Sineira da Sé Catedral do Funchal. Esta caracterização tem como base o recurso a técnicas de análise experimental, e em simultâneo, a simulações numéricas. As técnicas experimentais utilizadas baseiam-se na utilização de metodologias de identificação dinâmica com base em medições da resposta estrutural provocada pela excitação ambiente, i.e. vento e tráfego. A campanha de ensaios foi realizada em cinco séries de medição com acelerômetros piezoelétricos de alta sensibilidade e recorrendo a equipamento de aquisição de dados de alto desempenho. Ao longo do trabalho são descritas as principais características dos ensaios, bem como os resultados obtidos recorrendo a técnicas de análise modal operacional, culminando na obtenção dos parâmetros modais dos principais modos de vibração da estrutura. Após o tratamento dos resultados obtidos experimentalmente, estes foram usados para calibrar um modelo numérico implementado num software comercial de elementos finitos. Este modelo tem como base técnicas de modelação correntemente utilizadas na simulação deste tipo de estruturas, bem como parâmetros plausíveis para definir o comportamento mecânico dos materiais. Posteriormente, os resultados obtidos em ambas as abordagens são diretamente comparados, tendo sido possível observar uma boa correspondência entre ambos. Esta dissertação termina com as principais conclusões e com a identificação dos principais desenvolvimentos para trabalhos futuros.