Projeto de um dispositivo para ensaio de volantes bimassa

Neste trabalho projetou-se um mecanismo que permite fazer ensaios em volantes bimassa de modo a poder verificar o momento de torção aplicado em função do angulo de rotação das duas massas do volante. O volante bimassa é um componente do motor do veículo que fica acoplado à embraia-gem e que tem como principal função a transferência do momento de força proveniente da cambota para a transmissão. Este tem a vantagem de permitir a redução das vibrações e ruí-dos provenientes do motor com o objetivo de aumentar o conforto de condução. Devido às falhas que ocorrem no sistema de amortecimento destes componentes, surgiu a necessidade de desenvolver um mecanismo que as pudesse detetar de uma maneira simples e rápida. O projeto foi um processo iterativo, que passou pela determinação das funcionalidades do mecanismo até à escolha dos componentes que permitissem não só cumprir essas funcionali-dades, como também garantir a sua eficaz utilização, tendo em conta os custos. Nesta fase procedeu-se ainda ao dimensionamento dos componentes mais críticos e que poderiam causar a cedência da estrutura, realizando uma análise estrutural do mecanismo com o auxílio de um software de elementos finitos. No final efetuou-se a escolha dos elementos de ligação necessários ao funcionamento do mecanismo e estimou-se o seu custo de produção, para posterior construção por parte da Schaeffler Group.

Aplicação do teorema cinemático da análise limite ao cálculo da capacidade resistente de fundações superficiais. Influência de aspectos tridimensionais

A expressão da capacidade resistente de fundações superficiais, proposta por Terzaghi (1943) para o caso de uma fundação corrida, sob carregamento vertical, centrado, e onde não se tem em conta a resistência do solo acima da base de fundação, tem sido alvo de diversos estudos ao longo do tempo, visando a melhoria dos factores associados à mesma, assim como a proposta de novos factores. Uma das metodologias disponíveis para tal tarefa é a Análise Limite, onde, através dos teoremas estático e cinemático é possível obter um intervalo que aproxima a carga de colapso. Com o recurso à implementação numérica do teorema cinemático (região superior) da análise limite numa plataforma de processamento paralelo, são realizados cálculos tridimensionais focados para os factores de forma, sγ, sq e sc; e para o factor de profundidade tridimensional, dq*, através da construção de modelos de elementos finitos com refinamento elevado. Os resultados obtidos permitem o encurtamento do intervalo de região inferior e superior e a observação do comportamento dos referidos factores com a evolução da forma e profundidade da fundação.

Análise de um sistema de evacuação de produtos da combustão de turbinas a gás utilizadas para propulsão naval

De modo a eliminar a propagação de fissuras ocorridas em condutas de evacuação de produtos da combustão de turbinas a gás utilizadas para propulsão naval, neste estudo é feita a avaliação de diferentes geometrias alternativas para a estrutura mencionada, assim como se avalia a possibilidade de substituição local, nas zonas críticas, do material actualmente utilizado na conduta por uma nova liga de alta resistência. A possibilidade de utilizar um novo aço inoxidável austenítico Cr-Mn, de alta resistência (ThyssenKrupp, 2009), está a ser estudada e alguns resultados experimentais efectuados a este material, obtidos a temperatura ambiente e a alta temperatura, são apresentados. Este trabalho pode ser dividido em duas partes principais. Uma primeira parte onde se apresenta a análise experimental realizada e uma segunda parte, que trata a simulação numérica da conduta por elementos finitos. Na análise experimental foram realizados ensaios de tracção uniaxial, ensaios de dureza e de caracterização geométrica do cordão de soldadura de ligações soldadas de tipo topo a topo entre o aço AISI 316L e o aço Cr-Mn. Alguns dos resultados experimentais obtidos em provetes soldados com combinações dos materiais de base, aço AISI316L e Cr-Mn, a 24ºC e 350ºC, são: a tensão de cedência do aço Cr-Mn é cerca de 66% e 35% mais elevada que a obtida para o aço AISI 316L, a 24 e 350ºC, respectivamente; a tensão de rotura é também 33% e 19% mais elevada que o aço AISI 316L, para as mesmas temperaturas. Os ensaios de dureza revelam valores médios que estão de acordo com as propriedades mecânicas obtidas à temperatura ambiente. Tendo como referência os resultados experimentais obtidos para as propriedades mecânicas dos materiais, assim como a distribuição de temperaturas e de pressão interna devido aos gases resultantes da combustão, foi feita a simulação numérica de diferentes geometrias da conduta, tendo sido determinado o nível das tensões presentes na superfície da conduta. A distribuição de temperatura e pressão introduzidas nas análises numéricas foram calculadas e verificada a sua validade por comparação com os resultados obtidos por (Cruz, 2009). Os resultados das análises numéricas sugerem que a alteração da geometria actual da conduta pode ser benéfica uma vez que as tensões principais máximas induzidas na estrutura podem diminuir mais de 26%, quando comparadas com as tensões termomecânicas induzidas na geometria actual da conduta.

Estudo de uma estrutura adaptativa baseada no conceito de tensegridade

O principal objetivo desta dissertação é estudar o comportamento duma estrutura adaptativa baseada no conceito da tensegridade. As estruturas baseadas em tensegridade podem ser definidas como estruturas reticuladas, espaciais, em que todos os elementos estão sujeitos unicamente a esforços axiais, sejam eles de compressão ou de tração. Os elementos comprimidos são geralmente barras ou escoras que não devem estar em contacto entre si, enquanto que os elementos tracionados são geralmente cabos que devem ser pré-esforçados. O equilíbrio das estruturas tensíntegras é garantido através da implementação de um estado pré-esforçado entre as escoras comprimidas e os cabos tracionados. Respeitando os princípios básicos associados ao conceito da tensegridade, será proposta uma estrutura com múltiplas aplicações em engenharia civil. O comportamento desta estrutura será simulado através de modelos computacionais em elementos finitos recorrendo ao programa de cálculo automático SAP2000. É também modelado um protótipo experimental à escala reduzida. Os modelos desenvolvidos serão sujeitos a diversas solicitações dinâmicas, sendo analisada a resposta estrutural a essas solicitações. A estrutura proposta nesta dissertação é uma estrutura adaptativa, na medida em que está equipada com uma série de sensores que permitem monitorizar, em tempo real, as acelerações e deslocamentos da estrutura, sendo capaz de alterar a sua geometria inicial através do aquecimento de ligas com memória de forma colocadas em locais estratégicos da estrutura, melhorando a sua resposta dinâmica. Com a realização deste trabalho concluiu-se que pequenas alterações na forma e geometria duma estrutura são suficientes para provocar alterações na frequência própria da mesma e, consequentemente reduzir as acelerações e deslocamentos provocados por determinadas ações dinâmicas. Mostrou-se ainda que o mecanismo de alteração de forma proposto é especialmente eficaz na redução de acelerações originadas por ações dinâmicas periódicas.

Limitadores de corrente supercondutores: estudo da ligação magnética entre enrolamentos

Nos dias de hoje, devido à rápida expansão dos meios urbanos e consequentemente das redes de energia elétrica, o correto funcionamento de todo o sistema tornou-se no ponto fulcral para a satisfação, confiabilidade, qualidade e redução de custos para todos os utilizadores. Como tal, a agregação de redes e consequente expansão provoca o aumento do risco de correntes de Curto-Circuito (CC) que poderão levar à destruição de equipamentos que constituem a rede, bem como a problemas para os consumidores. Deste modo os limitadores de correntes constituídos por materiais com propriedades supercondutoras, nomeadamente, Supercondutores de Alta Temperatura (SAT), tornam-se numa solução para a resolução deste problema que afeta grande parte da população. Os Limitadores de Corrente Supercondutor (LCS) constituem uma solução garantindo a proteção das redes de energia, bem como dos equipamentos e infraestruturas que os compõem, analogamente a outras soluções já existentes. Estes apresentam invisibilidade numa rede em regime de funcionamento normal e são desenvolvidos com o intuito de apresentar uma rápida recuperação e elevada impedância aquando da ocorrência de falha, minimizando os danos que poderiam causar. Na presente dissertação são apresentados estudos e análises a três topologias de LCS do tipo indutivo de blindagem magnética com base em simulações recorrendo ao software de elementos finitos Flux2D® e com base nos ensaios experimentais. O estudo baseia-se na análise do modo de funcionamento dos LCS em regime de funcionamento normal, variando algumas características dos limitadores, bem como a análise crítica a algumas variáveis no âmbito do tema da presente dissertação, de modo a minimizar as perdas.

Estudo do motor em disco com o rotor em alumínio e em supercondutor multi-semente

Nesta dissertação é realizado o estudo de um motor em disco polifásico com armadura convencional e rotor que pode ser convencional, em alumínio, ou composto por material supercondutor de alta temperatura multi‐semente. O motor com o rotor em alumínio apresenta um comportamento assíncrono bem definido, baseado na lei geral de indução de eletromotrizes no induzido. Contudo, ao ser mergulhado em azoto líquido, evidencia melhores características eléctricas, tanto do induzido como do indutor, mesmo que o núcleo ferromagnético convencional possa exibir degradação magnética. O motor com o rotor SAT exibe um comportamento distinto, evidenciando ambos os regimes síncrono e assíncrono estáveis. O regime síncrono fica caracterizado pelo fenómeno de aprisionamento de campo, que garante que o rotor gire síncrono com o campo girante do estator. Em regime assíncrono, para um determinado valor de binário resistente aplicado superior ao electromagnético máximo desenvolvido pelo motor, o fenómeno de escoamento de campo está presente, sendo o binário electromagnético motor reforçado por um binário extra de perdas de carácter resistivo desenvolvidas no rotor devido à interacção da densidade de corrente a campos eléctricos que se estabelecem no rotor. Neste caso, o fenómeno de escoamento de campo não é devido a forças de Lorentz que se definem na matriz de Abrikosov, mas sim devido a esta ser “puxada” pelo campo girante do estator, ficando a matriz a deslizar sobre o rotor. De modo a obter as características dos sistemas electromecânicos em estudo é realizada uma análise teórica, baseada na teoria convencional das máquinas eléctricas, com o objectivo de compreender alguns dos fenómenos do motor de fluxo axial, e uma análise baseada num programa comercial de elementos finitos onde o fenómeno da supercondutividade é simulado com base na relação entre o campo elétrico e a densidade de corrente pela lei da potenciação (E‐J power law). O ensaio dos motores referidos é realizado para comparar ambos os sistemas e de realçar o princípio de funcionamento e as características mais relevantes de cada um. Da análise realizada é desenvolvido um modelo que caracteriza o funcionamento da máquina com o rotor com SAT.

Pressões sobre cortinas de contenção em solos com nível freático elevado

No pré-dimensionamento de cortinas de contenção flexíveis multi-escoradas são frequentemente utilizados diagramas aparentes, sobretudo para a previsão das cargas nas escoras. Nos casos de níveis freáticos elevados, tais diagramas, em especial quando dizem respeito a solos arenosos, foram obtidos em situações em que foi possível proceder ao rebaixamento do nível freático. O trabalho pretende contribuir para a compreensão da distribuição das pressões totais sobre a cortina nos casos em que tal rebaixamento não se verifique. Começa-se por fazer uma breve análise do problema com base no publicado na bibliografia. Recorrese a análises tensão-deformação, por elementos finitos, para o estudo de um caso-base, comparando-se cenários em que não se considera a presença de água no terreno com outros em que tal presença se verifica, tanto modelando os efeitos da percolação como assumindo que a cortina impede a entrada de água para a escavação. Procede-se a análise paramétrica que procura estudar os efeitos nas pressões na cortina da altura enterrada, do peso volúmico do solo, da rigidez das escoras, da rigidez da parede, da largura de escavação, da escala do problema e da resistência do terreno. Analisam-se os resultados obtidos e tiram-se algumas conclusões sobre os diagramas a adoptar no pré-dimensionamento para os casos de nível freático elevado.

Avaliação da resistência à fadiga de instrumentos endodônticos sujeitos a polimento electrolítico e a tratamento térmico específico

Esta dissertação teve como principais objectivos determinar a resistência à fadiga de instrumentos endodônticos de Níquel-Titânio sujeitos a polimento electrolítico e tratamento térmicopor autoclave, assim como estudar o comportamento estrutural dos instrumentos, através de análise numérica pelo método dos elementos finitos, quando sujeitos à curvatura em três regiões distintas. Vinte e dois instrumentos Hyflex (Coltene, Switzerland), com dois tamanhos diferentes (.04/20 e .06/20), foram divididos em 3 grupos: Grupo I, 4 instrumentos (dois de cada tamanho) sem qualquer tipo de tratamento térmico ou superficial; Grupo II, 12 instrumentos (seis de cada tamanho) submetidos a polimento electrolítico; Grupo III, 6 instrumentos (três de cada tamanho) submetidos a polimento electrolítico e tratamento térmico por autoclave. Todos os instrumentos foram sujeitos a testes de fadiga por flexão rotativa. Os instrumentos foram polidos, aplicando uma potência de 30 V, durante 3 segundos, a uma taxa de escoamento da solução electrolítica igual a 1. O tratamento térmico em autoclave foi realizado a uma temperatura e pressão de 134ºC e 2,16 bar, respectivamente, durante 30 minutos. O raio e ângulo de curvatura impostos durante os ensaios experimentais foram de 4,7 mm e 45º, respectivamente. A velocidade de rotação utilizada para testar os instrumentos foi de 500 rpm. O tempo até à fractura foi registado e o número de ciclos à fractura foi calculado. Calculou-se a área circular equivalente do instrumento Hyflex .06/20, em 3 regiões diferentes do mesmo (apical, central e coronal), na secção do instrumento correspondente a metade do comprimento do arco imposto pela curvatura do canal. Os valores de extensão teóricos foram calculados com o objectivo de comparar com a distribuição de tensão e extensão obtida pelo método dos elementos finitos. Os valores calculados analiticamente estão coerentes com os valores obtidos pelo método dos elementos finitos. Existe um grande risco de fractura do instrumento durante o tratamento endodôntico de canais radiculares que imponham curvaturas coronais aos instrumentos. Analisando os resultados obtidos experimentalmente, verifica-se que existem diferenças significativas, na duração e no número de ciclos à fadiga, entre os instrumentos polidos e não polidos e entre os instrumentos com e sem tratamento térmico por autoclave. Conclui-se que o polimento electrolítico tem uma influência significativa na vida à fadiga dos instrumentos Hyflex .04/20 e .06/20. O tratamento térmico por autoclave tem uma influência negativa nos instrumentos Hyflex .04/20 e uma influência positiva nos instrumentos Hyflex .06/20.

Estudo da influência de chapas de ligação com cavilha na resistência à encurvadura de colunas de aço de secção tubular circular

Neste trabalho estuda-se a resistência à encurvadura (compressão uniforme) de tubos de aço de secção circular, com extremidades rotuladas por meio de cavilhas, tendo em conta a influência da chapa de ligação (gusset plate na designação em língua inglesa). Para o efeito, estuda-se uma ligação-tipo comum com chapa soldada e efetuam-se estudos paramétricos, recorrendo a modelos de elementos finitos de casca, para determinar a influência da chapa na (i) carga crítica e na (ii) carga de colapso do elemento. Os resultados mostram que a influência da chapa não pode ser desprezada para valores reduzidos da esbelteza do elemento. Propõe-se um método expedito e preciso para determinar a carga crítica tendo em conta a influência da chapa.

Análise modal de um edifício de paredes de alvenaria resistente

O parque habitacional em Portugal é composto por um elevado número de edifícios antigos constituídos por paredes de alvenaria resistente. Nos últimos anos tem-se constatado um interesse crescente na preservação e reutilização dessas construções, por se encontrarem frequentemente em zonas históricas privilegiadas, e com potencial interesse de exploração económica. Estes motivos têm levado à realização de intervenções estruturais nesses edifícios, com vista à reorganização dos espaços, podendo desencadear alterações no seu comportamento estrutural. O objetivo primordial deste estudo é avaliar as alterações da resposta modal de um edifício de paredes de alvenaria resistente, sujeito a uma intervenção de remoção das paredes num dos seus fogos. Para tal, realizaram-se duas campanhas experimentais de identificação modal à vibração ambiente, com o intuito de determinar as propriedades dinâmicas da estrutura, antes e após a intervenção. Procedeu-se à elaboração de um modelo de elementos finitos da estrutura recorrendo ao programa de análise de estruturas SAP2000, que permitiu efetuar também a correspondente análise numérica do problema. Foi ainda realizada uma análise ao comportamento modal do edifício, onde se identificaram diversas hipóteses que influenciam a resposta dinâmica da estrutura, tendo sido desenvolvidos alguns modelos numéricos, com o objetivo de examinar nomeadamente a influência dos edifícios adjacentes, e da interação solo-estrutura, no comportamento global do edifício analisado.

Determinação de comprimentos de encurvadura de pilares-estaca

O trabalho desenvolvido na presente dissertação tem como principal objetivo a determinação da carga crítica e do respetivo comprimento de encurvadura de pilares-estaca, contemplando diversos casos de estudo. São efetuadas duas abordagens ao problema de forma a poder realizar estudos comparativos das metodologias adotadas. O primeiro tipo de análise é baseado no método de Elementos Finitos; o segundo tipo de análise é efetuado com base no programa de cálculo automático SAP2000, utilizando elementos de barra. Para resolução do problema em questão, comum em pilares de pontes ou viadutos em betão armado, considera-se comportamento elástico do material do pilar e do solo onde este se encontra implantado, admitindo um modelo de fundação de Winkler. Primeiramente, são apresentados os fundamentos teóricos que suportam o tema da dissertação de forma a dar ao leitor um enquadramento de vários aspetos inerentes a fenómenos de instabilidade estrutural. Em seguida, descreve-se a metodologia adotada para análise do problema. Finalmente são apresentados casos de estudo retirados de um projeto realizado num viaduto. Nesses casos, são analisados pilares com geometrias diferenciadas, quer na direção longitudinal quer na direção transversal.

Rotura de fundo em escavações devida a percolação ascendente

A rotura de fundo de escavações em solos arenosos, com nível freático elevado e em que se procede ao rebaixamento do nível de água no interior da escavação, causando percolação em torno da cortina, é sobretudo tratada como se fosse um problema de levantamento hidráulico, em que o colapso ocorre por anulação da tensão efetiva e é independente da resistência do solo. No entanto, em fase anterior à anulação da tensão efetiva, esta deverá assumir um valor baixo, que poderá causar a rotura do fundo. Tal problema não é, praticamente, abordadona bibliografia, sendo objeto do estudo desenvolvido. Recorre-se à análise tensão-deformação, por elementos finitos, de um caso de estudo, seguido da determinação numérica do coeficiente de segurança e, portanto, do parâmetro de resistência do solo no colapso. A partir deste caso de estudo, desenvolve-se um conjunto de análises paramétricas incidindo sobre aspetos estruturais, mecânicos e geométricos. São analisados os resultados obtidos e são tiradas conclusões relativamente ao fenómeno de rotura de fundo de escavações em solos arenosos.

Propagação de fendas por fadiga quando sujeitas a carregamentos em Modo I ou Modo III

A propagação de fenda sob fadiga pode ser observada em vários componentes mecânicos, que podem ser feitos de chapa fina ou espessa (ou cascas) e, consequentemente, serem sujeitos a estado plano de tensão ou estado plano de deformação, respectivamente. As cargas aplicadas num corpo sólido que contém um entalhe estreito ou uma fenda aguda irão induzir uma zona de escoamento limite de material com uma dimensão que dependerá das propriedades mecânicas do material, bem como a espessura do corpo, o comprimento de fenda e a intensidade das cargas aplicadas. A propagação da fenda pode então ocorrer sob modo I, II, III ou modo misto. Esta tese apresenta as funções integrais JI, JII e JIII , que foram correlacionadas com os factores de intensidade de tensão KI, KII e KIII, para provetes CT espessos e finos. A avaliação dos valores do Integral-J foi feita para diferentes comprimentos de fenda, ao longo da frente de fenda, usando o Método dos Elementos Finitos (MEF), com nós colapsados e intermédios deslocados a ¼ do comprimento da aresta, com o objectivo de simular a singularidade na extremidade da fenda. A interacção entre os modos de abertura, corte e rasgamento é também discutida. Adicionalmente, a propagação de fenda sob o modo I e o modo III foi determinada experimentalmente, à temperatura ambiente, para um aço inoxidável austenítico Cr-Mn de alta resistência.

Paradigmas construtivos da máquina elétrica de relutância comutada: aplicação em regime de baixas velocidades. Aproveitamentos de energias renováveis

A máquina elétrica de relutância comutada (MERC) é, inerentemente, um conversor eletromecânico de velocidade variável, facilmente controlado através dos instantes de excitação e desexcitação do circuito magnético partilhado pelas fases. A sua robustez e simplicidade construtiva (só enrolamentos concentrados no estator), flexibilidade de controlo, bom rendimento numa gama alargada de velocidades, a sua fiabilidade e tolerância a defeitos fazem desta máquina uma opção válida para sistemas de conversão de energia caraterizados por baixas velocidades. A tendência crescente de instalar turbinas eólicas em offshore, para além dos desafios económicos e tecnológicos que levanta, torna a fiabilidade e a tolerância a defeitos, requisitos de vital importância. Neste contexto, a potencial aplicação da MERC a geradores eólicos sem recurso a caixa de velocidades, já que esta penaliza o custo, o volume e a fiabilidade do sistema, serviu de motivação a este trabalho. Nesta dissertação apresentam-se, numa perspetiva comparativa, diferentes paradigmas construtivos da MERC para o funcionamento gerador em regime de baixas velocidades, caraterístico dos aproveitamentos de energias renováveis. Para o efeito, formularam-se leis de escala apropriadas a análises dimensionais de topologias diferenciadas pelas caraterísticas dos circuitos elétrico e magnético e do seu posicionamento relativo. Estes modelos de escala permitiram introduzir constrangimentos físicos e dos materiais que condicionam o projeto da máquina, como a saturação magnética e limites de temperatura. Das análises dimensionais e validação com elementos finitos, elegeu-se uma estrutura magnética modular com caminhos de fluxo curtos que foi comparada com um protótipo de MERC regular, previsto para equipar um gerador eólico. Quando comparadas as duas topologias, assumindo dimensões idênticas, a modular apresentou um significativo ganho de potência específica mantendo bons níveis de rendimento. Pretende-se assim alargar a discussão do projeto das MERC, geralmente confinado a topologias regulares, a um contexto mais abrangente que inclua novos paradigmas construtivos.

Avaliação da capacidade resistente de placas de ancoragem em condições drenadas

Esta dissertação tem por objetivo ser um contributo para o dimensionamento de placas de ancoragem dispostas verticalmente em solos respondendo em condições drenadas. Para tal, recorre-se a um programa de elementos fnitos que implementa os teoremas estático e cinemático da análise limite para o cálculo da carga última de uma placa de ancoragem. O documento mostra o estudo efetuado sobre a infuência dos parâmetros, quer geométricos, quer mecânicos, tanto do maciço como da placa, sobre a capacidade de carga registada. Do ponto de vista geométrico foi estudada em condições bidimensionais a infuência da profundidade relativa da colocação da placa. Em condições tridimensionais, para além deste aspeto, foi também estudada a infuência da largura da placa. Do ponto de vista mecânico estudou-se a infuência na capacidade de carga do ângulo de resistência ao corte assim como da rugosidade da placa. Os resultados deste estudo são apresentados sob a forma de fatores de arrancamento em função dos diversos parâmetros estudados. Os resultados obtidos são comparados com os resultados de carácter experimental e numérico teórico de outros autores encontrados na literatura. No final do trabalho, apresenta-se uma proposta sob forma gráfica de uma relação entre as capacidades de carga de uma placa finita e de uma placa corrida.