Parametric study of the behaviour of reinforced concrete columns in fire

The research is concerned with the application of the computer simulation technique to study the performance of reinforced concrete columns in a fire environment. The effect of three different concrete constitutive models incorporated in the computer simulation on the structural response of reinforced concrete columns exposed to fire is investigated. The material models differed mainly in respect to the formulation of the mechanical properties of concrete. The results from the simulation have clearly illustrated that a more realistic response of a reinforced concrete column exposed to fire is given by a constitutive model with transient creep or appropriate strain effect The assessment of the relative effect of the three concrete material models is considered from the analysis by adopting the approach of a parametric study, carried out using the results from a series of analyses on columns heated on three sides which produce substantial thermal gradients. Three different loading conditions were used on the column; axial loading and eccentric loading both to induce moments in the same sense and opposite sense to those induced by the thermal gradient. An axially loaded column heated on four sides was also considered. The computer modelling technique adopted separated the thermal and structural responses into two distinct computer programs. A finite element heat transfer analysis was used to determine the thermal response of the reinforced concrete columns when exposed to the ISO 834 furnace environment. The temperature distribution histories obtained were then used in conjunction with a structural response program. The effect of the occurrence of spalling on the structural behaviour of reinforced concrete column is also investigated. There is general recognition of the potential problems of spalling but no real investigation into what effect spalling has on the fire resistance of reinforced concrete members. In an attempt to address the situation, a method has been developed to model concrete columns exposed to fire which incorporates the effect of spalling. A total of 224 computer simulations were undertaken by varying the amounts of concrete lost during a specified period of exposure to fire. An array of six percentages of spalling were chosen for one range of simulation while a two stage progressive spalling regime was used for a second range. The quantification of the reduction in fire resistance of the columns against the amount of spalling, heating and loading patterns, and the time at which the concrete spalls appears to indicate that it is the amount of spalling which is the most significant variable in the reduction of fire resistance.

A contribution towards the performance and structural understanding of copper and nickel salts as ammonia stores

The ongoing depletion of fossil fuels and the severe consequences of the greenhouse effect make the development of alternative energy systems crucially important. While hydrogen is, in principle, a promising alternative, releasing nothing but energy and pure water. Hydrogen storage is complicated and no completely viable technique has been proposed so far. This work is concerned with the study of one potential alternative to pure hydrogen: ammonia, and more specifically its storage in solids. Ammonia, NH3, can be regarded as a chemical hydrogen carrier with the advantages of strongly reduced flammability and explosiveness as compared to hydrogen. Furthermore, ammine metal salts presented here as promising ammonia stores easily store up to 50 wt.-% ammonia, giving them a volumetric energy density comparable to natural gas. The model system NiX2–NH3 ( X = Cl, Br, I) is studied thoroughly with respect to ammine salt formation, thermal decomposition, air stability and structural effects. The system CuX2–NH3 ( X = Cl, Br) has an adverse thermal decomposition behaviour, making it impractical for use as an ammonia store. This system is, however, most interesting from a structural point of view and some work concerning the study of the structural behaviour of this system is presented. Finally, close chemical relatives to the metal ammine halides, the metal ammine nitrates are studied. They exhibit interesting anion arrangements, which is an impressive showcase for the combination of diffraction and spectroscopic information. The characterisation techniques in this thesis range from powder diffraction over single crystal diffraction, spectroscopy, computational modelling, thermal analyses to gravimetric uptake experiments. Further highlights are the structure solutions and refinements from powder data of (NH4)2[NiCl4(H2O)(NH3)] and Ni(NH3)2(NO3)2, the combination of crystallographic and chemical information for the elucidation of the (NH4)2[NiCl4(H2O)(NH3)] formation reaction and the growth of single crystals under ammonia flow, a technique allowing the first documented successful growth and single crystal diffraction measurement for [Cu(NH3)6]Cl2.

Design, fabrication and mechanical characterization of a structural node made using Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) technology

Additive Manufacturing (AM), also known as “3D printing”, is a recent production technique that allows the creation of three-dimensional elements by depositing multiple layers of material. This technology is widely used in various industrial sectors, such as automotive, aerospace and aviation. With AM, it is possible to produce particularly complex elements for which traditional techniques cannot be used. These technologies are not yet widespread in the civil engineering sector, which is slowly changing thanks to the advantages of AM, such as the possibility of realizing elements without geometric restrictions, with less material usage and a higher efficiency, in particular employing Wire-and-Arc Additive Manufacturing (WAAM) technology. Buildings that benefit most from AM are all those structures designed using form-finding and free-form techniques. These include gridshells, where joints are the most critical and difficult elements to design, as the overall behaviour of the structure depends on them. It must also be considered that, during the design, the engineer must try to minimize the structure's own weight. Self-weight reductions can be achieved by Topological Optimization (TO) of the joint itself, which generates complex geometries that could not be made using traditional techniques. To sum up, weight reductions through TO combined with AM allow for several potential benefits, including economic ones. In this thesis, the roof of the British Museum is considered as a case study, analysing the gridshell structure of which a joint will be chosen to be designed and manufactured, using TO and WAAM techniques. Then, the designed joint will be studied in order to understand its structural behaviour in terms of stiffness and strength. Finally, a printing test will be performed to assess the production feasibility using WAAM technology. The computational design and fabrication stages were carried out at Technische Universität Braunschweig in Germany.

Edifícios altos – problemas associados e análise estrutural de um caso prático

Com a presente dissertação pretende-se analisar alguns dos problemas associados aos edifícios altos, na fase de projeto, bem como compilar um conjunto de informações e conhecimentos científicos sobre a área abordada. São descritas algumas soluções de sistemas estruturais possíveis de idealizar para edifícios altos. Posteriormente, tendo por base um projeto de estruturas de um edifício com 25 pisos localizado em Luanda, capital de Angola, o objetivo consistiu em analisar estática e dinamicamente o seu comportamento quando solicitado fundamentalmente pelas ações do vento e dos sismos. A análise estrutural foi realizada com recurso a dois softwares de cálculo automático, nomeadamente, o Cypecad e o Robot Structural Analysis Professional e pelos métodos preconizados no Regulamento de Segurança e Ações para estruturas de edifícios e pontes e o Eurocódigo 8 – “Projeto de estruturas para resistência aos sismos”. Aborda-se a temática do faseamento construtivo, assunto que revela algumas limitações dos programas de cálculo utilizados, sendo descrito um método simplificado para prever os seus efeitos em termos de dimensionamento final. Os resultados obtidos permitiram avaliar o bom comportamento da estrutura no que respeita ao cumprimento dos estados limites últimos e de serviço. Conclui-se que o sistema estrutural adotado no modelo em estudo se encontra bem dimensionado relativamente ao colapso e à limitação de danos.

An approach for reliability-based robust design optimisation of angle-ply composites

Variations of manufacturing process parameters and environmental aspects may affect the quality and performance of composite materials, which consequently affects their structural behaviour. Reliability-based design optimisation (RBDO) and robust design optimisation (RDO) searches for safe structural systems with minimal variability of response when subjected to uncertainties in material design parameters. An approach that simultaneously considers reliability and robustness is proposed in this paper. Depending on a given reliability index imposed on composite structures, a trade-off is established between the performance targets and robustness. Robustness is expressed in terms of the coefficient of variation of the constrained structural response weighted by its nominal value. The Pareto normed front is built and the nearest point to the origin is estimated as the best solution of the bi-objective optimisation problem.

Análise sísmica e proposta de reforço de uma estrutura do séc. XIX sujeita a uma reabilitação parcial

Trabalho final de Mestrado para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil

Técnicas de deteção de dano estrutural com base na monitorização

Ao longo dos últimos anos, acompanhada da evolução tecnológica, da dificuldade da inspeção visual e da consciencialização dos efeitos de uma má inspeção, verificou-se uma maior sensibilidade para a importância da monitorização estrutural, principalmente nas grandes infra-estruturas de engenharia civil. Os sistemas de monitorização estrutural permitem o acompanhamento contínuo do comportamento de uma determinada estrutura de tal forma que com os dados obtidos, é possível avaliar alterações no comportamento da mesma. Com isso, tem-se desenvolvido e implementado estratégias de identificação de danos estruturais com o intuito de aumentar a fiabilidade estrutural e evitar precocemente que alterações na condição da estrutura possam evoluir para situações mais severas. Neste contexto, a primeira parte desta dissertação consiste numa introdução à monitorização estrutural e à deteção de dano estrutural. Relativamente à monitorização, são expostos os seus objetivos e os princípios da sua aplicação. Conjuntamente são apresentados e descritos os principais sensores e são explicadas as funcionalidades de um sistema de aquisição de dados. O segundo tema aborda a importância da deteção de dano introduzindo os métodos estudados neste trabalho. Destaca-se o método das linhas de influência, o método da curvatura dos modos de vibração e o método da transformada de wavelet. Na segunda parte desta dissertação são apresentados dois casos de estudo. O primeiro estudo apresenta uma componente numérica e uma componente experimental. Estuda-se um modelo de viga que se encontra submetida a vários cenários de dano e valida-se a capacidade do método das linhas de influência em detetar e localizar essas anomalias. O segundo estudo consiste na modelação numérica de uma ponte real, na posterior simulação de cenários de dano e na análise comparativa da eficácia de cada um dos três métodos de deteção de dano na identificação e localização dos danos simulados. Por último, são apresentadas as principais conclusões deste trabalho e são sugeridos alguns tópicos a explorar na elaboração de trabalhos futuros.

Análise do comportamento de estruturas através de ensaios de carga

A engenharia civil, rege-se pela garantia de segurança e de funcionalidade das obras que projeta e executa. Para cumprir tais requisitos, é necessário durante a sua vida útil, no final da construção, reforço ou reabilitação, proceder à avaliação da conformidade entre o comportamento real da estrutura e os pressupostos subjacentes ao projeto. Esta dissertação tem como objetivo a compreensão e análise do comportamento estrutural da Ponte sobre o Rio Sorraia, através da realização de ensaios de carga apoiados pela conceção de um modelo numérico devidamente calibrado, capaz de simular a resposta da estrutura, o mais próximo possível do observável na realidade. Para alcançar o objetivo pré definido elencam-se as metodologias relevantes, descrevem-se os tipos de ensaios de carga realizados em pontes/viadutos e faz-se referência aos aparelhos de medição que estão na base da instrumentação aplicada em obras. Esta introdução foca-se ainda na modelação numérica, permitindo o conhecimento básico necessário para a criação e atualização de modelos numéricos de pontes. Relativamente ao caso de estudo expõe-se a realização do ensaio de carga, descrevendo todo o processo, bem como os resultados obtidos ao nível das grandezas de medição estudadas. Aqui é concebido um modelo numérico base da ponte, alvo de discussão ao nível do comportamento estrutural, baseada na validação dos resultados obtidos por via experimental, através da comparação com os obtidos por via numérica. Por fim, o estudo e seleção de diversos parâmetros da modelação, facultando a calibração do modelo numérico da ponte. Os resultados obtidos neste modelo comprovam o seu elevado potencial, no apoio à observação e compreensão do comportamento de estruturas através da realização de ensaios de carga. O sucesso da realização de uma análise do comportamento de estruturas, através de ensaios de carga, depende assim fundamentalmente, da correta execução do ensaio, da correta conceção e atualização do modelo numérico e da interligação entre os resultados experimentais e numéricos.

Fatigue life assessment of endodontic instruments subjected to multi planar curvature

This present study aimed to investigate the fatigue life of unused (new) endodontic instruments made of NiTi with control memory by Coltene™ and subjected to the multi curvature of a mandibular first molar root canal. Additionally, the instrument‟s structural behaviour was analysed through non-linear finite element analysis (FEA). The fatigue life of twelve Hyflex™ CM files was assessed while were forced to adopt a stance with multiple radius of curvature, similar to the ones usually found in a mandibular first molar root canal; nine of them were subjected to Pecking motion, a relative movement of axial type. To achieve this, it was designed an experimental setup with the aim of timing the instruments until fracture while worked inside a stainless steel mandibular first molar model with relative axial motion to simulate the pecking motion. Additionally, the model‟s root canal multi-curvature was confirmed by radiography. The non-linear finite element analysis was conducted using the computer aided design software package SolidWorks™ Simulation, in order to define the imposed displacement required by the FEA, it was necessary to model an endodontic instrument with simplified geometry using SolidWorks™ and subsequently analyse the geometry of the root canal CAD model. The experimental results shown that the instruments subjected to pecking motion displayed higher fatigue life values and higher lengths of fractured tips than those with only rotational relative movement. The finite element non-linear analyses shown, for identical conditions, maximum values for the first principal stress lower than the yield strength of the material and those were located in similar positions to the instrument‟s fracture location determined by the experimental testing results.

Assessment of overlay masonry strengthening system under in-plane monotonic and cyclic loading using the diagonal tensile test

The development of novel strengthening techniques to address the seismic vulnerability of masonry elements is gradually leading to simpler, faster and more effective strengthening strategies. In particular, the use of fabric reinforced cementitious matrix systems is considered of great potential, given the increase of ductility achieved with simple and economic strengthening procedures. To assess the effectiveness of these strengthening systems, and considering that the seismic action is involved, one important component of the structural behaviour is the in-plane cyclic response. In this work is discussed the applicability of the diagonal tensile test for the assessment of the cyclic response of strengthened masonry. The results obtained allowed to assess the contribution of the strengthening system to the increase of the load carrying capacity of masonry elements, as well as to evaluate the damage evolution and the stiffness degradation mechanisms developing under cyclic loading.

Analysis and strengthening of carpentry joints

Joints play a major role in the structural behaviour of old timber frames [1]. Current standards mainly focus on modern dowel-type joints and usually provide little guidance (with the exception of German and Swiss NAs) to designers regarding traditional joints. With few exceptions, see e.g. [2], [3], [4], most of the research undertaken today is mainly focused on the reinforcement of dowel-type connections. When considering old carpentry joints, it is neither realistic nor useful to try to describe the behaviour of each and every type of joint. The discussion here is not an extra attempt to classify or compare joint configurations [5], [6], [7]. Despite the existence of some classification rules which define different types of carpentry joints, their applicability becomes difficult. This is due to the differences in the way joints are fashioned depending, on the geographical location and their age. In view of this, it is mandatory to check the relevance of the calculations as a first step. This first step, to, is mandatory. A limited number of carpentry joints, along with some calculation rules and possible strengthening techniques are presented here.

Masonry macro-block analysis

The structural analysis involves the definition of the model and selection of the analysis type. The model should represent the stiffness, the mass and the loads of the structure. The structures can be represented using simplified models, such as the lumped mass models, and advanced models resorting the Finite Element Method (FEM) and Discrete Element Method (DEM). Depending on the characteristics of the structure, different types of analysis can be used such as limit analysis, linear and non-linear static analysis and linear and non-linear dynamic analysis. Unreinforced masonry structures present low tensile strength and the linear analyses seem to not be adequate for assessing their structural behaviour. On the other hand, the static and dynamic non-linear analyses are complex, since they involve large time computational requirements and advanced knowledge of the practitioner. The non-linear analysis requires advanced knowledge on the material properties, analysis tools and interpretation of results. The limit analysis with macro-blocks can be assumed as a more practical method in the estimation of maximum load capacity of structure. Furthermore, the limit analysis require a reduced number of parameters, which is an advantage for the assessment of ancient and historical masonry structures, due to the difficult in obtaining reliable data.

Análise estrutural e dimensionamento de estruturas de membrana

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Respuesta no lineal y criterios de diseño de puentes arco espaciales

El desarrollo más reciente de los puentes arco ha llevado a una nueva tipología: los “puentes arco espaciales”. Se entiende por puente arco espacial todo puente arco en el que, por su configuración geométrica y estructural, las cargas gravitatorias generan esfuerzos no contenidos en el plano del arco. Por un lado, aparecen para satisfacer las necesidades funcionales cuando estructuras en arco resultan las más adecuadas para sostener tableros curvos y evitar así apoyos intermedios. Desde un punto de vista estético, surgen como demanda de los nuevos puentes en entornos urbanos, buscando, no sólo una forma cuidada, sino persiguiendo convertirse en emblemas de la ciudad a partir de la originalidad y la innovación. Su proyecto y construcción es posible gracias a las grandes posibilidades que ofrecen los nuevos métodos de cálculo y dibujo por ordenador, en los que, a través del incremento de memoria y rapidez, cada vez se emplean programas más completos y nuevas modelizaciones, más cercanas a la realidad. No menos importante es el desarrollo de los medios auxiliares de construcción y de las herramientas de CAD/CAM, que convierte en construibles por control numérico formas de manufactura impensables. Ello trasciende en infinitas posibilidades de diseño y estructura. Sin embargo, el diseño y construcción de estas nuevas tipologías no ha estado acompañado por el avance en el estado del conocimiento fundamentado en la investigación, ya que se han desarrollado pocos estudios que explican parcialmente la respuesta estructural de estos puentes. Existe, por lo tanto, la necesidad de profundizar en el estado del conocimiento y clarificar su respuesta estructural, así como de plantear, finalmente, criterios de diseño que sirvan de apoyo en las fases de concepción y de proyecto a estas nuevas tipologías.

Modificação estrutural de bentonitas nacionais : caracterização e estudos de adsorção

São apresentados os aspectos teóricos, práticos e bibliográficos envolvidos no desenvolvimento da tese de doutorado intitulada Modificação estrutural de bentonitas nacionais: caracterização e estudos de adsorção. O trabalho consistiu no desenvolvimento de um material adsorvente a partir de bentonitas, do tipo montmorilonitas, modificadas estruturalmente com o objetivo de aumentar sua capacidade de adsorção de poluentes, orgânicos e inorgânicos. O estudo visa incrementar o valor agregado deste recurso mineral e insere-se na área de tratamento de efluentes líquidos usando adsorventes não tradicionais, eficientes e de baixo custo em substituição ao carvão ativado ou às resinas de troca iônica. Foram estudadas as propriedades físicas e químicas; distribuição de tamanho de partículas, área superficial, potenciais eletrocinéticos, capacidade de troca catiônica, composição mineralógica, morfologia superficial e espaçamento basal, bem como as propriedades adsorptivas dos argilominerais não tratados e modificados, não modificadas e pilarizadas respectivamente. Também são discutidos os mecanismos de adsorção envolvidos e o desenvolvimento de um reator contínuo (adsorção em flocos) e de separação sólido/líquido. As modificações estruturais dos argilominerais foram realizadas via homoionização com cloreto de cálcio e posterior intercalação com compostos orgânicos com ação quelante de metais. A FENAN, bentonita obtida pela intercalação com Orto Fenantrolina (OF), foi a que apresentou melhor viabilidade técnica em termos de adsorção, adsorção/dessorção, floculação e de acumulação de poluentes na forma floculada e não floculada. Adicionalmente os estudos de reversibilidade da intercalação revelaram a alta estabilidade da OF na FENAN, em soluções fortemente ácidas, onde aproximadamente 90% da OF permanece ligada à superfície da argila. A quantidade de OF adsorvida na forma de unidades micelares foi de 112 mg por grama de bentonita a pH 8,5 ± 0,5. A caracterização das bentonitas, via difração de Raios X, análise térmica, microscopia eletrônica de varredura e por microscopia de força atômica, revelou que as FENAN possuem um comportamento estrutural muito estável ao longo da seqüência de adsorção/dessorção e que após a adsorção de poluentes inorgânicos, o quelato metálico formado apresenta alta estabilidade dentro da estrutura da organobentonita. A capacidade de acumulação alcançada nas FENAN foi de 110 mg de Cu/g de bentonita, valor superior à de diversos materiais adsorventes alternativos propostos em outros trabalhos similares. Os estudos de acumulação das FENAN floculadas – FENANFLOC, indicaram que a presença de floculante, na quantidade utilizada, não afeta significativamente a capacidade de remoção das bentonitas modificadas. Este comportamento apresentado, permitiu o desenvolvimento do Reator Expandido de Flocos Adsorventes (REFA), cujas características e parâmetros operacionais são discutidos em detalhe. Finalmente, os resultados são discutidos em termos dos fenômenos interfaciais envolvidos e dos potenciais práticos deste novo adsorvente e da nova técnica de adsorção em flocos no REFA.