Modelação não linear de estruturas metálicas e mistas em situação de incêndio no software OpenSees

Os incêndios em edifícios representam um fenómeno que pode ter consequências devastadoras quando não controlado, não só em termos de perdas de vidas humanas, como em termos económicos. No passado, a ocorrência de incêndios de grandes dimensões mostrou os efeitos do fogo descontrolado nos edifícios, assim como a ineficiência dos meios de segurança ativa ao fogo. Nas últimas duas décadas, estas questões motivaram o estudo e compreensão da ação dos incêndios nas estruturas dos edifícios. Neste trabalho estuda-se a modelação da ação do fogo em estruturas metálicas e mistas, com o objetivo de contribuir para a sua melhor caracterização. A presente tese foca-se na validação e compreensão da implementação de análises termo-mecânicas a estruturas mistas no software de elementos finitos OpenSees (Open System for Earthquake Engineering Simulation), contribuindo assim para futuros estudos, não só de análises de estruturas mistas sujeitas a incêndio, mas também de análises de estruturas mistas sujeitas a eventos consecutivos, como sismo seguido de incêndio. Neste trabalho é feita uma breve descrição do fenómeno fogo, assim como dos processos inerentes à dinâmica de um incêndio que constituem uma fonte de incerteza para a modelação de cenários de incêndio num edifício. Posto isto, são abordados alguns modelos de incêndios presentes nos Eurocódigos, assim como o recente modelo de fogos móveis(“Travelling fires”). São realizados exemplos de aplicação no software e dois casos de estudo. O primeiro consiste na modelação de dois ensaios ao fogo realizados na Alemanha em 1986 em estruturas metálicas à escala 1/4. O segundo consiste na modelação de um ensaio ao fogo a uma viga de betão armado simplesmente apoiada, realizado no Instituto Superior Técnico em 2010. Os modelos numéricos desenvolvidos no OpenSees contabilizam as não linearidades físicas e geométricas, com elementos finitos de plasticidade distribuída e com uma formulação baseada em deslocamentos. Os resultados numéricos são então comparados com os experimentais, de modo a validar as análises termo-mecânicas no OpenSees.

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.

Diffusional kurtosis imaging using a fast heuristic constrained linear least squares algorithm: a plugin for OsiriX

Diffusion Kurtosis Imaging (DKI) is a fairly new magnetic resonance imag-ing (MRI) technique that tackles the non-gaussian motion of water in biological tissues by taking into account the restrictions imposed by tissue microstructure, which are not considered in Diffusion Tensor Imaging (DTI), where the water diffusion is considered purely gaussian. As a result DKI provides more accurate information on biological structures and is able to detect important abnormalities which are not visible in standard DTI analysis. This work regards the development of a tool for DKI computation to be implemented as an OsiriX plugin. Thus, as OsiriX runs under Mac OS X, the pro-gram is written in Objective-C and also makes use of Apple’s Cocoa framework. The whole program is developed in the Xcode integrated development environ-ment (IDE). The plugin implements a fast heuristic constrained linear least squares al-gorithm (CLLS-H) for estimating the diffusion and kurtosis tensors, and offers the user the possibility to choose which maps are to be generated for not only standard DTI quantities such as Mean Diffusion (MD), Radial Diffusion (RD), Axial Diffusion (AD) and Fractional Anisotropy (FA), but also DKI metrics, Mean Kurtosis (MK), Radial Kurtosis (RK) and Axial Kurtosis (AK).The plugin was subjected to both a qualitative and a semi-quantitative analysis which yielded convincing results. A more accurate validation pro-cess is still being developed, after which, and with some few minor adjust-ments the plugin shall become a valid option for DKI computation

Modelação não-linear do comportamento de vigas-parede

Com a evolução dos recursos computacionais e o desenvolvimento dos modelos constitutivos disponíveis na avaliação do comportamento estrutural de elementos de betão armado, é comum recorrer-se cada vez mais a modelos numéricos que consideram a não-linearidade física e geométrica. As simulações numéricas obtidas com recurso a este tipo de modelos computacionais permitem obter um historial completo do comportamento estrutural, desde o início da aplicação do carregamento, até ao colapso total da estrutura. Contudo, verifica-se que em zonas de descontinuidade geométrica em estruturas de betão armado, a evolução do padrão de fendilhação é um fenómeno relativamente complexo, cuja simulação numérica representa um desafio considerável. O objectivo deste trabalho é o de verificar a aplicabilidade do Método dos Elementos Aplicados no estudo do desenvolvimento do padrão de fendilhação em paredes de betão armado, solicitadas por um carregamento monotónico. Foi analisado um conjunto de dez paredes, todas com uma abertura que provoca uma zona de descontinuidade geométrica e, consequentemente, um padrão de fendilhação mais complexo. Cada parede tem uma pormenorização de armadura diferente, permitindo verificar a fiabilidade do modelo computacional. Os resultados numéricos foram comparados com ensaios experimentais realizados por Bounassar Filho [8], permitindo tirar conclusões sobre as vantagens e as limitações deste método, quando aplicado ao estudo de estruturas de betão armado solicitadas por cargas monotónicas.

Sintonização de controladores difusos através de técnicas de optimização não-linear com restrições

A presente dissertação tem como objetivo principal a implementação de uma arquitetura baseada em algoritmos evolutivos para a sintonização dos parâmetros do controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo) difuso, sendo o conceito de desempenho em malha fechada explicitamente tido em conta. A sintonização dos parâmetros do controlador difuso é realizada tendo em conta um problema de otimização com restrições, em que a função de custo a ser minimizada é descrita em termos do desempenho em malha fechada, com a dinâmica do sistema a ser aproximada por um modelo não linear. Como nas metodologias de otimização existentes, a incorporação de mecanismos de adaptação referentes às funções de pertença não é comum, na presente dissertação é tido em conta, para além da usual sintonização dos fatores de escala, a sintonização dos fatores de escala e funções de pertença em simultâneo. Os resultados experimentais realizados num sistema de referência, visam demonstrar os benefícios de incorporar as funções de pertença no processo de otimização em diferido. É também utilizado um método analítico de segunda ordem como referência, por forma a comparar o desempenho de uma abordagem de otimização global contra uma de otimização local. Finalmente é implementada uma abordagem em-linha, usando o método analítico de segunda ordem, na otimização dos fatores de escala e funções de pertença.

Innovative method for the continuous monitoring of concrete viscoelastic properties since early ages: concept and pilot experiments

The experimental evaluation of viscoelastic properties of concrete is traditionally made upon creep tests that consist in the application of sustained loads either in compression or in tension. This kind of testing demands for specially devised rigs and requires careful monitoring of the evolution of strains, whereas assuring proper load constancy. The characterization of creep behaviour at early ages offers additional challenges due to the strong variations in viscoelastic behaviour of concrete during such stages, demanding for several testing ages to be assessed. The present research work aims to assist in reducing efforts for continuous assessment of viscoelastic properties of concrete at early ages, by application of a dynamic testing technique inspired in methodologies used in polymer science: Dynamic Mechanical Analyses. This paper briefly explains the principles of the proposed methodology and exhibits the first results obtained in a pilot application. The results are promising enough to encourage further developments.

Non emergency patients transport - a mixed integer linear programming

This work presents a model and a heuristic to solve the non-emergency patients transport (NEPT) service issues given the new rules recently established in Portugal. The model follows the same principle of the Team Orienteering Problem by selecting the patients to be included in the routes attending the maximum reduction in costs when compared with individual transportation. This model establishes the best sets of patients to be transported together. The model was implemented in AMPL and a compact formulation was solved using NEOS Server. A heuristic procedure based on iteratively solving problems with one vehicle was presented, and this heuristic provides good results in terms of accuracy and computation time.

Mapeamento do uso e cobertura da terra a partir da segmentação e classificação de imagens-fração solo, sombra e vegetação derivadas do modelo linear de mistura aplicado a dados do sensor TM/Landsat5, na região do reservatório de Tucuruí - PA

Técnicas de sensoriamento remoto são fundamentais para o monitoramento das mudanças de uso da terra, principalmente em áreas extensas como a Amazônia. O mapeamento de uso da terra, geralmente é realizado por métodos de classificação manual ou digital pixel a pixel, os quais consomem muito tempo. Este estudo aborda a aplicação do modelo linear de mistura em uma imagem Landsat-TM segmentada para o mapeamento das classes de uso da terra na região do reservatório de Tucuruí-PA para os anos de 1996 e 2001.

Implementation of integral viscoelastic constitutive models in OpenFOAM® computational library

This work reports the implementation and verification of a new so lver in OpenFOAM® open source computational library, able to cope with integral viscoelastic models based on the integral upper-convected Maxwell model. The code is verified through the comparison of its predictions with analytical solutions and numerical results obtained with the differential upper-convected Maxwell model

Detecção de cicatrizes de áreas queimadas baseada no modelo linear de mistura espectral e imagens índice de vegetação utilizando dados multitemporais do sensor MODIS/TERRA no estado do Mato Grosso, Amazônia brasileira

O objetivo desta pesquisa foi avaliar os dados do sensor MODIS para detectar e monitorar cicatrizes de áreas recém queimadas. Utilizamos imagens da reflectância de superfície do sensor MODIS: produto MOD09 (dia 5 de outubro) e produto MOD13A1 (meses de outubro e novembro). Foi avaliada também uma série temporal de um ano dos índices de vegetação (IV) EVI e NDVI (produto MOD13A1). Uma imagem do sensor ETM+ (dia 5 de outubro) foi utilizada como base para a delimitação dos polígonos amostrais e avaliação dos dados MODIS devido a sua melhor resolução espacial. A metodologia focou na aplicação do modelo linear de mistura espectral nas imagens reflectância para a geração das imagens fração sombra. Análises de regressão foram efetuadas para comparação entre o percentual de sombra derivado da imagem ETM+ e das imagens MODIS. As alterações multitemporais nas imagens IV foram avaliadas com base no teste de Tukey. Os resultados mostraram que a imagem fração sombra gerada a partir do produto MOD09 apresentou um R² = 0,66 (p < 0,01) em relação aos dados ETM+. Para as imagens do produto MOD13A1 não foram identificadas relações significativas. Os IV dentro dos mesmos polígonos apresentaram uma variação sazonal durante o ano. No entanto, não houve uma diminuição significativa dos valores destes índices nos meses onde foram observadas as cicatrizes de áreas recém queimadas. Portanto, o produto MOD09 mostrou-se mais eficiente que o produto MOD13A1 para a detecção de cicatrizes de áreas recém queimadas. A análise multitemporal dos IV sugeriu que não foi possível detectar este mesmo padrão na área de estudo.

Development of an integral viscoelastic flow solver in OpenFOAM®

The usual high cost of commercial codes, and some technical limitations, clearly limits the employment of numerical modelling tools in both industry and academia. Consequently, the number of companies that use numerical code is limited and there a lot of effort put on the development and maintenance of in-house academic based codes. Having in mind the potential of using numerical modelling tools as a design aid, of both products and processes, different research teams have been contributing to the development of open source codes/libraries. In this framework, any individual can take advantage of the available code capabilities and/or implement additional features based on his specific needs. These type of codes are usually developed by large communities, which provide improvements and new features in their specific fields of research, thus increasing significantly the code development process. Among others, OpenFOAM® multi-physics computational library, developed by a very large and dynamic community, nowadays comprises several features usually only available in their commercial counterparts; e.g. dynamic meshes, large diversity of complex physical models, parallelization, multiphase models, to name just a few. This computational library is developed in C++ and makes use of most of all language capabilities to facilitate the implementation of new functionalities. Concerning the field of computational rheology, OpenFOAM® solvers were recently developed to deal with the most relevant differential viscoelastic rheological models, and stabilization techniques are currently being verified. This work describes the implementation of a new solver in OpenFOAM® library, able to cope with integral viscoelastic models based on the deformation field method. The implemented solver is verified through the comparison of the predicted results with analytical solutions, results published in the literature and by using the Method of Manufactured Solutions.

Modelling integral viscoelastic flows in OpenFOAM

[Excerpt] A large number of constitutive equations were developed for viscoelastic fluids, some empirical and other with strong physical foundations. The currently available macroscopic constitutive equations can be divided in two main types: differential and integral. Some of the constitutive equations, e.g. Maxwell are available both in differential and integral types. However, relevant in tegral models, like K - BKZ, just possesses the integral form. (...)

Dispersion of fillers in viscoelastic polymer matrices using Eulerian-Lagrangian approaches

Understanding the behavior of c omplex composite materials using mixing procedures is fundamental in several industrial processes. For instance, polymer composites are usually manufactured using dispersion of fillers in polymer melt matrices. The success of the filler dispersion depends both on the complex flow patterns generated and on the polymer melt rheological behavior. Consequently, the availability of a numerical tool that allow to model both fluid and particle would be very useful to increase the process insight. Nowadays there ar e computational tools that allow modeling the behavior of filled systems, taking into account both the behavior of the fluid (Computational Rheology) and the particles (Discrete Element Method). One example is the DPMFoam solver of the OpenFOAM ® framework where the averaged volume fraction momentum and mass conservation equations are used to describe the fluid (continuous phase) rheology, and the Newton’s second law of motion is used to compute the particles (discrete phase) movement. In this work the refer red solver is extended to take into account the elasticity of the polymer melts for the continuous phase. The solver capabilities will be illustrated by studying the effect of the fluid rheology on the filler dispersion, taking into account different fluid types (generalized Newtonian or viscoelastic) and particles volume fraction and size. The results obtained are used to evaluate the relevance of considering the fluid complex rheology for the prediction of the composites morphology

Understanding the dispersion of fillers in polymer matrices

Understanding the mixing process of complex composite materials is fundamental in several industrial processes. For instance, the dispersion of fillers in polymer melt matrices is commonly employed to manufacture polymer composites, using a twin-screw extruder. The effectiveness of the filler dispersion depends not only on the complex flow patterns generated, but also on the polymer melt rheological behavior. Therefore, the availability of a numerical tool able to predict mixing, taking into account both fluid and particles phases would be very useful to increase the process insight, and thus provide useful guidelines for its optimization. In this work, a new Eulerian-Lagrangian numerical solver is developed OpenFOAM® computational library, and used to better understand the mechanisms determining the dispersion of fillers in polymer matrices. Particular attention will be given to the effect of the rheological model used to represent the fluid behavior, on the level of dispersion obtained. For the Eulerian phase the averaged volume fraction governing equations (conservation of mass and linear momentum) are used to describe the fluid behavior. In the case of the Lagrangian phase, Newton’s second law of motion is used to compute the particles trajectories and velocity. To study the effect of fluid behavior on the filler dispersion, several systems are modeled considering different fluid types (generalized Newtonian or viscoelastic) and particles volume fraction and size. The results obtained are used to correlate the fluid and particle characteristics on the effectiveness of mixing and morphology obtained.