Desenvolvimento de programa em linguagem Matlab® para cálculo pelo método de elementos finitos

Para o projeto de qualquer estrutura existente (edifícios, pontes, veículos, máquinas, etc.) é necessário conhecer as condições de carga, geometria e comportamento de todas as suas partes, assim como respeitar as normativas em vigor nos países nos quais a estrutura será aplicada. A primeira parte de qualquer projeto nesta área passa pela fase da análise estrutural, onde são calculadas todas as interações e efeitos de cargas sobre as estruturas físicas e os seus componentes de maneira a verificar a aptidão da estrutura para o seu uso. Inicialmente parte-se de uma estrutura de geometria simplificada, pondo de parte os elementos físicos irrelevantes (elementos de fixação, revestimentos, etc.) de maneira a simplificar o cálculo de estruturas complexas e, em função dos resultados obtidos da análise estrutural, melhorar a estrutura se necessário. A análise por elementos finitos é a ferramenta principal durante esta primeira fase do projeto. E atualmente, devido às exigências do mercado, é imprescindível o suporte computorizado de maneira a agilizar esta fase do projeto. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura em análise. Porém, estes programas demostram uma certa complexidade durante a introdução dos parâmetros, levando muitas vezes a resultados errados. Assim sendo, é essencial para o projetista ter uma ferramenta fiável e simples de usar que possa ser usada para fins de projeto de estruturas e otimização. Sobre esta base nasce este projeto tese onde se elaborou um programa com interface gráfica no ambiente Matlab® para a análise de estruturas por elementos finitos, com elementos do tipo Barra e Viga, quer em 2D ou 3D. Este programa permite definir a estrutura por meio de coordenadas, introdução de forma rápida e clara, propriedades mecânicas dos elementos, condições fronteira e cargas a aplicar. Como resultados devolve ao utilizador as reações, deformações e distribuição de tensões nos elementos quer em forma tabular quer em representação gráfica sobre a estrutura em análise. Existe ainda a possibilidade de importação de dados e exportação dos resultados em ficheiros XLS e XLSX, de maneira a facilitar a gestão de informação. Foram realizados diferentes testes e análises de estruturas de forma a validar os resultados do programa e a sua integridade. Os resultados foram todos satisfatórios e convergem para os resultados de outros programas, publicados em livros, e para cálculo a mão feitos pelo autor.

Robustness of corroded reinforced concrete structures

Short Term Scienti c Mission, COST ACTION TU-0601

The effect of adhesive thickness on the mechanical behavior of a structural polyurethane adhesive

One parameter that influences the adhesively bonded joints performance is the adhesive layer thickness. Hence, its effect has to be investigated experimentally and should be taken into consideration in the design of adhesive joints. Most of the results from literature are for typical structural epoxy adhesives which are generally formulated to perform in thin sections. However, polyurethane adhesives are designed to perform in thicker sections and might have a different behavior as a function of adhesive thickness. In this study, the effect of adhesive thickness on the mechanical behavior of a structural polyurethane adhesive was investigated. The mode I fracture toughness of the adhesive was measured using double-cantilever beam (DCB) tests with various thicknesses of the adhesive layer ranging from 0.2 to 2 mm. In addition, single lap joints (SLJs) were fabricated and tested to assess the influence of adhesive thickness on the lap-shear strength of the adhesive. An increasing fracture toughness with increasing adhesive thickness was found. The lap-shear strength decreases as the adhesive layer gets thicker, but in contrast to joints with brittle adhesives the decrease trend was less pronounced.

Tensile fracture characterization of adhesive joints by standard and optical techniques

The use of adhesive joints has increased in recent decades due to its competitive features compared with traditional methods. This work aims to estimate the tensile critical strain energy release rate (GIC) of adhesive joints by the Double-Cantilever Beam (DCB) test. The J-integral is used since it enables obtaining the tensile Cohesive Zone Model (CZM) law. An optical measuring method was developed for assessing the crack tip opening (δn) and adherends rotation (θo). The proposed CZM laws were best approximated by a triangular shape for the brittle adhesive and a trapezoidal shape for the two ductile adhesives.

Caraterização das propriedades mecânicas de um adesivo estrutural de alta ductilidade

A tecnologia de ligação por adesivos estruturais tem vindo a ser utilizada ao longo de várias décadas, permitindo solucionar diversos problemas associados a técnicas chamadas "tradicionais" de ligação, como a soldadura, a rebitagem ou a ligação aparafusada. Esta é uma alternativa viável para substituir as ligações mecânicas, devido a diversos fatores como o menor peso estrutural, menor custo de fabricação e capacidade de união de diferentes materiais. O crescente recurso a materiais compósitos em diversas indústrias, nomeadamente a aeronáutica e naval, levaram ao consequente aumento da aplicação de ligações adesivas, por serem indicadas como forma de união destes materiais, onde é de enaltecer a sua elevada resistência à fadiga. Uma junta adesiva está maioritariamente sujeita a esforços de corte e arrancamento e portanto o conhecimento dos módulos de elasticidade à tração (E) ou corte (G) do adesivo, e ainda as resistências máximas à tração e ao corte, não é suficiente quando se pretende prever o comportamento da mesma. Na verdade, torna-se necessário abranger na análise a plastificação progressiva verificada nas juntas adesivas antes da rotura, sendo necessário o conhecimento de parâmetros tais como a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) e corte (GIIc). Este trabalho pretende estudar um adesivo estrutural recentemente lançado no mercado, carecendo portanto da sua caracterização, para facilitar a previsão da resistência de estruturas adesivas ligadas com o mesmo. São 4 os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes em bruto, ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test (TAST), ensaios Double-Cantilever Beam (DCB) e ensaios End-Notched Flexure (ENF). Com a realização dos ensaios referidos, serão determinadas as propriedades mecânicas e de fratura à tração e ao corte, e serão fornecidos os parâmetros para a previsão da resistência de juntas adesivas com este adesivo por uma variedade de métodos, desde métodos analíticos mais expeditos até aos métodos numéricos mais avançados existentes atualmente. Os resultados foram de encontro aos disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes se encontravam disponíveis, obtendo-se discrepâncias bastante reduzidas nos diversos parâmetros determinados.

Avaliação do comportamento e reforço da Ponte de Maçaínhas sob a ação do tráfego ferroviário

A presente dissertação tem como principal objetivo a avaliação do estado de conservação de uma ponte ferroviária metálica centenária para posteriormente se efetuar o reforço desta. O objeto de estudo foi a Ponte de Maçaínhas, uma ponte metálica treliçada que se situa na linha da Beira Baixa permitindo a ligação entre a Guarda e a Covilhã. Este trabalho envolveu um estudo profundo de vários conteúdos normativos relativos a ações em pontes ferroviárias e ações ambientais. Este estudo estende-se ainda ao campo das verificações regulamentares e critérios de segurança estrutural adequadas ao presente contexto. A operação de reforço começou numa rigorosa análise dos componentes estruturais da ponte, através do estudo de plantas e de um extenso registo fotográfico, para posteriormente se conceber um modelo numérico que traduzisse a situação real. Ao modelo concebido foram aplicadas as cargas regulamentares adequadas por forma a entender o comportamento que a ponte apresenta perante estas e se as suas secções transversais apresentam capacidade resistente suficiente. Caso estas não apresentem capacidade resistente suficiente teriam de ser intervencionadas. Concluído o processo de avaliação estrutural e de reforço, procedeu-se à verificação do comportamento da estrutura reforçada perante as ações de projeto. Com isto pretende-se avaliar se os esforços se distribuem da mesma maneira ou se a operação de reforço teve algum efeito na distribuição destes. Por último, para avaliar o comportamento da estrutura perante a passagem de tráfego real, realizaram-se análises dinâmicas que tiveram por base um grupo de veículos que habitualmente circulam na linha da Beira Baixa e um comboio de alta velocidade. Estas análises foram realizadas tanto para a situação pré reforço como pós reforço. Desta forma conseguiu-se fazer um paralelo entre ambas as condições e perceber se a operação de reforço foi bem-sucedida.

Avaliação do comportamento de uma ponte metálica centenária sujeita à ação de tráfego ferroviário ligeiro

A presente dissertação tem como objetivo principal a análise numérica do comportamento dinâmico de uma ponte ferroviária, sob ação de tráfego ligeiro ferroviário. Neste contexto são apresentados alguns fundamentos teóricos a ter em conta nestes domínios, visando uma melhor compreensão dos fenómenos existentes no comportamento dinâmico de pontes ferroviárias quando sujeitas ao tráfego. O caso de estudo teve como foco a ponte Luiz I, uma ponte metálica situada sobre o rio Douro, que liga as cidades do Porto e Vila Nova de Gaia, sob ação de tráfego ligeiro ferroviário no seu tabuleiro superior para a condição anterior aos trabalhos de reabilitação e reforço realizados entre 2004 e 2005. Para o efeito foi desenvolvido um modelo numérico de elementos finitos da ponte realizado com recurso ao programa ANSYS, assim como um modelo numérico do veículo do Metro de Lisboa. Com base nestes modelos foram obtidos os parâmetros modais, nomeadamente as frequências naturais e os modos de vibração de toda a estrutura e do veículo. O estudo do comportamento dinâmico da ponte foi realizado por intermédio de uma metodologia de cargas móveis e de interação veículo-estrutura, através da ferramenta computacional Train-Bridge Interaction (TBI). As análises dinâmicas foram efetuadas para a passagem dos veículos de passageiros das redes de Metros do Porto e Lisboa. Nestas análises é estudada a resposta da estrutura em função da variabilidade ao nível da secção transversal, dependência do tramo, influência do veículo, da sua velocidade de circulação e impacto das frequências de vibração estimadas pelo modelo numérico.

Métodos construtivos de edifícios – comparação entre pré-fabricação e construção tradicional em betão armado

Em Portugal, a temática da Construção Pré-fabricada, enquanto método construtivo, ainda não se encontra desenvolvida de forma muito aprofundada. Na sua grande maioria, os trabalhos e estudos efetuados centram-se em aspetos de projeto e dimensionamento de determinados componentes préfabricados. Elementos estruturais pré-fabricados são já frequentemente utilizados, por exemplo, em vias de comunicação, pontes, viadutos, passagens inferiores e superiores. No entanto, no âmbito dos edifícios, esta tecnologia ainda não está totalmente explorada, exceção feita a naves industriais. A definição de construção pré-fabricada ainda não é consensual e as dúvidas subsistem, tanto por parte da população em geral, como dos próprios intervenientes no setor da construção. Dadas as suas potencialidades, pretende-se estudar a construção pré-fabricada, no setor dos edifícios, enquanto metodologia construtiva e compará-la com a metodologia de construção tradicional. Numa primeira fase, o trabalho irá consistir em explorar um conjunto de conceitos, métodos, tecnologias e materiais utilizados em alguns países com maior grau de aplicação destas técnicas. Posteriormente, será feita uma comparação entre construção pré-fabricada e construção tradicional, no que diz respeito a planeamento, prazos, custos, sustentabilidade, segurança ou qualidade, com base em estudos comparativos já realizados a nível internacional. Atendendo à informação recolhida, será realizado um trabalho onde são referidos processos, que poderão ajudar a compreender melhor o que é a construção pré-fabricada enquanto método construtivo inovador – quais as suas vantagens, implicações e condicionantes – e avaliar a sua viabilidade enquanto solução construtiva.

Estudo numérico da adequação de diferentes tipos de leis coesivas na previsão da resistência de juntas adesivas por Modelos de Dano Coesivo

O uso de ligações adesivas aumentou significativamente nos últimos anos e é hoje em dia uma técnica de ligação dominante na indústria aeronáutica e automóvel. As ligações adesivas visam substituir os métodos tradicionais de fixação mecânicos na união de estruturas. A melhoria ao longo dos anos de vários modelos de previsão de dano, nomeadamente através do Método de Elementos Finitos (MEF), tem ajudado ao desenvolvimento desta técnica de ligação. Os Modelos de Dano coesivo (MDC), usados em conjunto com MEF, são uma ferramenta viável para a previsão de resistência de juntas adesivas. Os MDC combinam critérios da resistência dos materiais para a iniciação do dano e conceitos da mecânica da fratura para a propagação da fenda. Existem diversas formas de leis coesivas possíveis de aplicar em simulações por MDC, em função do comportamento expectável dos materiais que estão a ser simulados. Neste trabalho, estudou-se numericamente o efeito de diversas formas de leis coesivas na previsão no comportamento de juntas adesivas, nomeadamente nas curvas forçadeslocamento (P-) de ensaios Double-Cantilever Beam para caracterização à tração e ensaios End-Notched Flexure para caraterização ao corte. Também se estudou a influência dos parâmetros coesivos à tração e corte nas curvas P- dos referidos ensaios. Para o Araldite®AV138 à tração e ao corte, a lei triangular é a que melhor prevê o comportamento do adesivo. Para a previsão da resistência de ambos os adesivos Araldite® 2015 e SikaForce® 7752, a lei trapezoidal é a que melhor se adequa, confirmando assim que esta lei é a que melhor caracteriza o comportamento de dano de adesivos tipicamente dúcteis. O estudo dos parâmetros revelou influência distinta na previsão do comportamento das juntas, embora com bastantes semelhanças entre os diferentes tipos de adesivos.

Análise comparativa das ações do tráfego rodoviário definidas em diversos regulamentos internacionais de pontes

O presente trabalho pretende avaliar as diferenças de efeitos que os modelos de sobrecarga rodoviária de dez regulamentos (RSA, EC1-2, NBR, AASHTO, SATCC, CSA, IRC:6, SNiP, Manual de Hong Kong, NCP) provocam em pontes rodoviárias de pequeno a médio vão. Numa primeira parte são cobertas questões relacionadas com os efeitos dinâmicos em pontes referenciando-se diversos estudos. Em seguida são apresentados os principais fatores que influenciam os efeitos das sobrecargas rodoviárias. Os modelos de sobrecarga rodoviária, definidos nos diversos regulamentos, são descritos pormenorizadamente com o objetivo de clarificar e facilitar a sua aplicação. No que se refere à componente numérica do trabalho, a quantificação dos efeitos que cada modelo origina foi realizada através da modelação em elementos finitos de tabuleiros de comprimento variável entre 10 e 40 metros. Longitudinalmente analisaram-se os valores máximos do momento fletor e do esforço transverso, e numa análise transversal estudaram-se os valores máximos de momentos fletores positivos e negativos originados em cada tabuleiro. No capítulo 7 é realizada uma análise comparativa dos efeitos causados pelos modelos de sobrecarga rodoviária definidos em cada regulamento tomando como referência os valores obtidos pelo RSA.

Caraterização das propriedades macânicas e de fratura de um adesivo estrutural de alta ductilidade

As juntas adesivas são uma alternativa viável para substituir ligações comuns como as mecânicas ou soldadas, devido a diversas vantagens como a possibilidade de união de materiais de natureza diferente, maior leveza, menores custos inerentes ao fabrico e ainda prevenção da corrosão galvânica que pode ocorrer nas ligações entre dois materiais metálicos diferentes. A resistência de uma junta depende, para um determinado tipo de solicitação imposta, da distribuição de tensões no interior da junta. Por outro lado, a geometria das juntas, as propriedades mecânicas dos adesivos e os componentes a ligar vão influenciar a distribuição de tensões. O carregamento nas camadas adesivas de uma junta poderá induzir tensões de tração, compressão, corte, arrancamento ou clivagem, ou ainda uma combinação de duas ou mais destas componentes. O objetivo da presente dissertação é a caraterização completa de um adesivo estrutural de alta ductilidade recentemente lançado no mercado (SikaPower® -4720), para facilitar o projeto e otimização de juntas adesivas ligadas com o mesmo. São quatro os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes maciços (também denominados de bulk), ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test, ensaios Double-Cantilever Beam e ainda ensaios End-Notched Flexure. Com a realização dos ensaios referidos, são determinadas as propriedades essenciais à caraterização mecânica e de fratura do adesivo. Os resultados obtidos para cada ensaio resultaram em propriedades medidas com elevada repetibilidade, da mesma maneira que se revelaram de acordo com os dados disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes estavam disponíveis.

The Effect of Long-Chain Polyunsaturated Fatty Acids Intake During Pregnancy on Adiposity of Healthy Full-Term Offspring at Birth

OBJECTIVE: The adjusted effect of long-chain polyunsaturated fatty acid (LCPUFA) intake during pregnancy on adiposity at birth of healthy full-term appropriate-for-gestational age neonates was evaluated. STUDY DESIGN: In a cross-sectional convenience sample of 100 mother and infant dyads, LCPUFA intake during pregnancy was assessed by food frequency questionnaire with nutrient intake calculated using Food Processor Plus. Linear regression models for neonatal body composition measurements, assessed by air displacement plethysmography and anthropometry, were adjusted for maternal LCPUFA intakes, energy and macronutrient intakes, prepregnancy body mass index and gestational weight gain. RESULT: Positive associations between maternal docosahexaenoic acid intake and ponderal index in male offspring (β=0.165; 95% confidence interval (CI): 0.031-0.299; P=0.017), and between n-6:n-3 LCPUFA ratio intake and fat mass (β=0.021; 95% CI: 0.002-0.041; P=0.034) and percentage of fat mass (β=0.636; 95% CI: 0.125-1.147; P=0.016) in female offspring were found. CONCLUSION: Using a reliable validated method to assess body composition, adjusted positive associations between maternal docosahexaenoic acid intake and birth size in male offspring and between n-6:n-3 LCPUFA ratio intake and adiposity in female offspring were found, suggesting that maternal LCPUFA intake strongly influences fetal body composition.

Fostering e-participation sustainability through a BPM-driven semantic model

According to a recent Eurobarometer survey (2014), 68% of Europeans tend not to trust national governments. As the increasing alienation of citizens from politics endangers democracy and welfare, governments, practitioners and researchers look for innovative means to engage citizens in policy matters. One of the measures intended to overcome the so-called democratic deficit is the promotion of civic participation. Digital media proliferation offers a set of novel characteristics related to interactivity, ubiquitous connectivity, social networking and inclusiveness that enable new forms of societal-wide collaboration with a potential impact on leveraging participative democracy. Following this trend, e-Participation is an emerging research area that consists in the use of Information and Communication Technologies to mediate and transform the relations among citizens and governments towards increasing citizens’ participation in public decision-making. However, despite the widespread efforts to implement e-Participation through research programs, new technologies and projects, exhaustive studies on the achieved outcomes reveal that it has not yet been successfully incorporated in institutional politics. Given the problems underlying e-Participation implementation, the present research suggested that, rather than project-oriented efforts, the cornerstone for successfully implementing e-Participation in public institutions as a sustainable added-value activity is a systematic organisational planning, embodying the principles of open-governance and open-engagement. It further suggested that BPM, as a management discipline, can act as a catalyst to enable the desired transformations towards value creation throughout the policy-making cycle, including political, organisational and, ultimately, citizen value. Following these findings, the primary objective of this research was to provide an instrumental model to foster e-Participation sustainability across Government and Public Administration towards a participatory, inclusive, collaborative and deliberative democracy. The developed artefact, consisting in an e-Participation Organisational Semantic Model (ePOSM) underpinned by a BPM-steered approach, introduces this vision. This approach to e-Participation was modelled through a semi-formal lightweight ontology stack structured in four sub-ontologies, namely e-Participation Strategy, Organisational Units, Functions and Roles. The ePOSM facilitates e-Participation sustainability by: (1) Promoting a common and cross-functional understanding of the concepts underlying e-Participation implementation and of their articulation that bridges the gap between technical and non-technical users; (2) Providing an organisational model which allows a centralised and consistent roll-out of strategy-driven e-Participation initiatives, supported by operational units dedicated to the execution of transformation projects and participatory processes; (3) Providing a standardised organisational structure, goals, functions and roles related to e-Participation processes that enhances process-level interoperability among government agencies; (4) Providing a representation usable in software development for business processes’ automation, which allows advanced querying using a reasoner or inference engine to retrieve concrete and specific information about the e-Participation processes in place. An evaluation of the achieved outcomes, as well a comparative analysis with existent models, suggested that this innovative approach tackling the organisational planning dimension can constitute a stepping stone to harness e-Participation value.

A spectrum-driven damage Identification technique : application and validation through the numerical simulation of the Z24 Bridge

The present paper focuses on a damage identification method based on the use of the second order spectral properties of the nodal response processes. The explicit dependence on the frequency content of the outputs power spectral densities makes them suitable for damage detection and localization. The well-known case study of the Z24 Bridge in Switzerland is chosen to apply and further investigate this technique with the aim of validating its reliability. Numerical simulations of the dynamic response of the structure subjected to different types of excitation are carried out to assess the variability of the spectrum-driven method with respect to both type and position of the excitation sources. The simulated data obtained from random vibrations, impulse, ramp and shaking forces, allowed to build the power spectrum matrix from which the main eigenparameters of reference and damage scenarios are extracted. Afterwards, complex eigenvectors and real eigenvalues are properly weighed and combined and a damage index based on the difference between spectral modes is computed to pinpoint the damage. Finally, a group of vibration-based damage identification methods are selected from the literature to compare the results obtained and to evaluate the performance of the spectral index.

COST Action TU1406: eBook of the 1st Workshop Meeting

COST Action TU1406 aims to address the European economic and societal needs by standardizing the condition assessment and maintenance level of roadway bridges. Currently, bridge quality control plans vary from country to country and, in some cases, within the same country. This therefore urges the establishment of a European guideline to surpass the lack of a standard methodology to assess bridge condition and to define quality control plans for roadway bridges. Such a guideline will comprise specific recommendations for assessing performance indicators as well as for the definition of performance goals, bringing together different stakeholders (e.g. universities, institutes, operators, consultants and owners) from various scientific disciplines (e.g. on-site testing, visual inspection, structural engineering, sustainability, etc.) in order to establish a common transnational language. COST Action TU1406 Workshops aim to facilitate the exchange of ideas and experiences between active researchers and practitioners as well as to stimulate discussions on new and emerging issues in line with the conference topics. This first Workshop essentially focuses on WG1 issues, namely, intends to address performance indicators, how these are assessed (e.g. visual inspection, nondestructive tests and monitoring systems), with what frequency and what values are generally obtained. The main outcomes, given in this eBook, were really important, not only for WG1 developments, but also for all the other WGs and for the Action itself.