Análise numérica do efeito de sobrecargas assimétricas em estacas: estudo de pontes nas obras do Arco Metropolitano.

O presente trabalho aborda o efeito de sobrecargas assimétricas em estacas, através do estudo de caso de encontros da Ponte do Rio Capivari nas obras do Arco Metropolitano. Neste caso específico as estacas foram construídas previamente a execução de aterros em terra armada e para minimizar o efeito de Tschebotarioff o solo foi reforçado com colunas de brita. Com embasamento na revisão bibliográfica apresentada foi realizada a análise pelo Método dos Elementos Finitos. Esta análise, realizada pelo programa computacional Plaxis, teve como foco principal a obtenção dos deslocamentos e momentos fletores nas estacas para os dois casos analisados: sem colunas de brita e com solo homogêneo equivalente (com colunas de brita). Foi possível verificar a influência da introdução das colunas de brita na redução dos momentos fletores e deslocamentos horizontais nas estacas dos encontros. Realizou-se ainda uma simulação em que as estacas seriam construídas após a realização dos aterros em terra armada onde pode-se constatar que o efeito de sobrecargas assimétricas seria mitigado. Foi efetuada também a comparação entre os deslocamentos provenientes de dados coletados da instrumentação de campo (inclinômetros) e os obtidos pelas análises numéricas, estando os mesmos compatíveis entre si, demonstrando que a metodologia adotada para simulação das colunas de brita no Método dos Elementos finitos foi adequada.

Sensores ópticos para monitorização dinâmica de estruturas

O presente trabalho centra-se no desenvolvimento e aplicação de sensores de aceleração ópticos, baseados em redes de Bragg gravadas em fibras ópticas, para monitorização da integridade estrutural de estruturas de engenharia civil. Foram implementados dois acelerómetros uniaxiais e um acelerómetro biaxial. Recorreu-se a uma ferramenta de simulação baseada no método dos elementos finitos que permitiu optimizar, sem custos de produção, as características dos sensores, nomeadamente a sua frequência de ressonância. A caracterização dos sensores foi realizada em ambiente laboratorial e a sua resposta comparada com os resultados de simulação, de modo a validar os modelos numéricos. A aplicabilidade e demonstração de conceito foram realizadas na monitorização de estruturas com testes de campo. Foi monitorizado um teste destrutivo de uma parede de adobe, construída à escala real no Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro, onde foram utilizados sensores estáticos e dinâmicos baseados em redes de Bragg gravadas em fibra óptica. Foram realizadas medidas dinâmicas na ponte pedonal do Campus Universitário da Universidade de Aveiro, onde se compararam os resultados obtidos com os sensores ópticos com resultados de sensores electrónicos comerciais. O acelerómetro biaxial foi testado na monitorização de estruturas esbeltas, nomeadamente na monitorização de duas torres de telecomunicações móveis, onde se demonstrou a possibilidade da utilização de sensores ópticos na caracterização dinâmica deste tipo de estruturas. Outro tipo de estruturas de engenharia civil onde foi demonstrada a aplicabilidade dos sensores ópticos desenvolvidos na monitorização estrutural foram os reservatórios de água elevados. Foi realizada a monitorização dinâmica de um exemplo deste tipo de estruturas, localizado no Campus Universitário da Universidade de Aveiro. A monitorização foi realizada recorrendo ao sensor biaxial desenvolvido e a um sismógrafo, ficando o sensor óptico instalado na estrutura de modo a permitir futuras leituras e assim a monitorização periódica da estrutura. Foi ainda desenvolvido um sensor de humidade relativa do ar, com um material sol-gel, que permitiu registar o nível de humidade relativa no interior de blocos de betão, durante um ano. Este sensor pode ser incluído numa rede de sensores multiplexados, na caracterização e monitorização da integridade estrutural de certas estruturas de engenharia civil.

Blast-wave absorption capacity of sandwich structures incorporating cellular materials

A incorporação de materiais absorsores de energia (AE) em sistemas de protecção é uma clara possibilidade de melhoraria do seu desempenho, devido à elevada relação entre a sua resistência e o seu peso, e a excelente capacidade para absorverem energia quando solicitados dinamicamente. As propriedades mecânicas da cortiça (e.g. a baixa densidade e a elevada rigidez e resistência específicas) sugerem que este material — assim como os seus derivados — podem apresentar propriedades excelentes quando aplicados como núcleos em sistemas AE do tipo estrutura sanduíche. Esta dissertação engloba trabalho experimental e numérico. O primeiro conjunto de testes experimentais consistiu na caracterização experimental dinâmica (ondas de choque de explosivos) do comportamento de dois micra aglomerados de cortiça (MAC), NL20 e TB40. Um pendulo balístico de 4 cabos foi usado para a medição do impulso transmitido a uma amostra de MAC impactada por uma onda de choque com origem na detonação de um explosivo energético. Foi registado o movimento do pêndulo e os valores de força resultantes. Um modelo numérico do problema recorrendo ao método dos elementos finitos (MEF) foi também desenvolvido, apresentando uma elevada correlação com a análise experimental, permitindo assim o desenvolvimento de um modelo constitutivo adequado à modelação do comportamento dinâmico dos MAC neste tipo de solicitações. Na segunda fase de testes experimentais, os MAC testados anteriormente são incorporados como núcleos em estruturas sanduíche com faces de alumínio (liga 5754-H22). Foram medidos os valores de defleção e o impulso transmitido ao pêndulo através do movimento oscilatório. São determinados os efeitos da densidade e da espessura dos núcleos na resposta estrutural do sistema. Também neste caso foi desenvolvido um modelo recorrendo ao MEF e posteriormente validado com resultados experimentais.

Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

Estudo aerodinâmico e estrutural de um autogiro

O trabalho apresentado teve como principal objetivo a caracterização dos problemas aerodinâmicos e estruturais a serem observados no projeto de um Autogiro. Numa primeira etapa do trabalho, alguns conceitos básicos dos princípios da aerodinâmica que gera forças durante o voo destas aeronaves são delineadas. Numa segunda parte os componentes integrantes de um autogiro são modelados, onde alguns serão examinados por elementos finitos. Seguidamente foi realizado um cálculo á sustentação da asa, de modo a que o autogiro consiga levantar voo. Posteriormente, realizaram-se cálculos em algumas ligações aparafusadas, que se consideraram ser mais importantes para a intensidade das forças. Este cálculo teve como o objetivo, determinar se as ligações aparafusadas respeitam o critério de segurança. Finalmente, executou-se uma análise em elementos finitos na estrutura e no rotor, de maneira a avaliar o comportamento em termos da distribuição de tensões. Nesta etapa final também foi realizada uma análise às vibrações do autogiro, determinando as frequências naturais na estrutura e asa do rotor.

Optimisation of viscoelastic treatments using genetic algorithms

Viscoelastic treatments are one of the most efficient treatments, as far as passive damping is concerned, particularly in the case of thin and light structures. In this type of treatment, part of the strain energy generated in the viscoelastic material is dissipated to the surroundings, in the form of heat. A layer of viscoelastic material is applied to a structure in an unconstrained or constrained configuration, the latter proving to be the most efficient arrangement. This is due to the fact that the relative movement of both the host and constraining layers cause the viscoelastic material to be subjected to a relatively high strain energy. There are studies, however, that claim that the partial application of the viscoelastic material is just as efficient, in terms of economic costs or any other form of treatment application costs. The application of patches of material in specific and selected areas of the structure, thus minimising the extension of damping material, results in an equally efficient treatment. Since the damping mechanism of a viscoelastic material is based on the dissipation of part of the strain energy, the efficiency of the partial treatment can be correlated to the modal strain energy of the structure. Even though the results obtained with this approach in various studies are considered very satisfactory, an optimisation procedure is deemed necessary. In order to obtain optimum solutions, however, time consuming numerical simulations are required. The optimisation process to use the minimum amount of viscoelastic material is based on an evolutionary geometry re-design and calculation of the modal damping, making this procedure computationally costly. To avert this disadvantage, this study uses adaptive layerwise finite elements and applies Genetic Algorithms in the optimisation process.

Higher order model for analysis of magneto-electro-elastic plates

In this paper is presented an higher-order model for static and free vibration analyses of magneto-electro-elastic plates, wich allows the analysis of thin and thick plates, which allows the analysis of thin and thick plates. The finite element model is a single layer triangular plate/shell element with 24 degrees of fredom for the generalized mechanical displacements. Two degrees on freedom are introduced per each element layer, one corresponding to the electrical potential and the other for magnetic potential. Solutions are obtained for different laminations of the magneto-electro-elastic plate, as well as for the purely elastic plate as a special case.

Controle activo de estruturas adaptativas com sensores e actuadores piezoeléctricos

Nos últimos anos o estudo de estruturas inteligentes tem atraído vários investigadores devido às suas potenciais vantagens numa larga gama de aplicações, tais como controle de forma, supressão de vibrações, atenuação de ruído e detecção de dano. O uso de materiais “inteligentes” tal como os materiais piezoeléctricos na forma de lâminas ou “patches”, embebidas ou coladas na superfície de estruturas construídas de materiais compósitos, permite assim obter estruturas que por um lado são adaptativas e por outro revelam excelentes propriedades mecânicas, aumentando assim bastante o desempenho e a fiabilidade de sistemas estruturais. Os materiais piezoeléctricos têm a propriedade de gerar uma carga eléctrica sob a acção duma carga mecânica e o reverso, isto é, aplicando um campo eléctrico nos elementos piezoeléctricos da estrutura, esta deforma-se. Neste trabalho, é apresentado um modelo de elementos finitos, baseado na teoria clássica de placas, desenvolvido para a análise do controle activo em estática e dinâmica lineares de estruturas integrando sensores e actuadores piezoeléctrico na forma de lâminas, os quais introduzem um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. É utilizado método de Newmark para a solução iterativa das equações de equilíbrio. Apresentam-se os resultados obtidos em três exemplos ilustrativos.

Resonance control of piezolaminated structures

This paper deals with a third order shear deformation finite element model wich is applied on the active resonance control thin plate/shell laminated structures with integrated piezoelectric layers of patches, acting as sensors and actuators. The finite element model is a single layer tringular nonconforming plate/shell element with 24 degrees of freedom for he generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element layer, wich are surface bonded on the laminated. The newwork method is considered to calculate the dynamic response of the laminated sructures forced to vibrate in the first natural frequency. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers. The model is applied to the solution of one illustrative case, and the results are presented and discussed.

Placas elasto-electro-magnéticas

Neste trabalho apresenta-se um modelo de elementos finitos, baseado na teoria clássica de placas, para a análise linear e não-linear de estruturas do tipo placa/casca integrando sensores e actuadores piezoeléctricos. É usado um simples e eficiente elemento placa/casca triangular plano de 3 nós, e em cuja formulação se introduz um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. É utilizada a formulação Lagrangeana actualizada associada à tecnica de Newton - Raphson para a solução iterativa das equações de equilibrio .O modelo pode ser aplicado a cascas piezolaminadas com geometria e carregamento arbitrários. Apresentam-se vários exemplos ilustrativos cujos resultados mostram a eficiencia do modelo proposto.

Non-linear finite element analysis of thin composite structures

A non-conforming three-node triangular finite element with 18 degree of freedom, is used in conjugation with the Kirchhoff theory for the non-linear analysis of thin composite plate-shell structure. The formulation of the geometrically non-linear analysis is based on an updated Lagrangian formulation associated with the Newton-Raphson iterative technique, which incorporates an automatic arc-length control procedure.

Shape control of laminated panels using piezoelectric actuators

This paper presents a finite element formulation based on the classical laminated plate theory for laminated structures with integrated piezoelectric layers or patches, acting as actuators.The finite element model is a single layer trinaguular nonconforming plate/shell element with 18 degrees of fredom for the generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element elemenet layer or patch. An optimization of the patches position is perfomed to maximize the piezoelectric actuators efficiency as well as,the electric potential distribution is serach to reach the specified strusctura transverse displacement distribution is search to reach the specified structures trsnsverse displacement distribution (shape control). A gradient based algorithm is used for this purpose.Results are presented and discussed.

Optimal dynamic control of laminated adaptive structures using a higher order model and a genetic algorithm

This paper deals with a finite element formulation based on the classical laminated plate theory, for active control of thin plate laminated structures with integrated piezoelectric layers, acting as sensors and actuators. The control is initialized through a previous optimization of the core of the laminated structure, in order to minimize the vibration amplitude. Also the optimization of the patches position is performed to maximize the piezoelectric actuator efficiency. The genetic algorithm is used for these purposes. The finite element model is a single layer triangular plate/shell element with 24 degrees of freedom for the generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element layer, which can be surface bonded or embedded on the laminate. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers. To calculate the dynamic response of the laminated structures the Newmark method is considered. The model is applied in the solution of an illustrative case and the results are presented and discussed.

Non-linear analysis of composite structures with integrated piezoelectric sensors and actuators

This paper deals with the geometrically non linear analysis of thin plate/shell laminated structures with embedded integrated piezoelectric actuors or sensors layers and/or patches.The model is based on the Kirchhoff classical laminated theory and can be applied to plate and shell adaptive structures with arbitrary shape, general mechanical and electrical loadings. the finite element model is a nonconforming single layer triangular plate/shell element with 18 degrees of fredom for the generalized displacements and one eçlectrical potential degree of freedom for each piezoelectric layer or patch. An updated Lagrangian formulation associated to Newton-Raphson technique is used to solve incrementally and iteratively the equilibrium equation.The model is applied in the solution of four illustrative cases, and the results are compared and discussedwith alternative solutions when available.

Design of laminated structures using piezoelectric materials

Composite structures incorporating piezoelectric sensors and actuators are increasingly becoming important due to the offer of potential benefits in a wide range of engineering applications such as vibration and noise supression, shape control and precisition positioning. This paper presents a finit element formulation based on classical laminated plate theory for laminated structures with integrated piezoelectric layers or patches, acting as actuators. The finite element model is a single layer triangular nonconforming plate/shell element with 18 degrees of freedom for the generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezsoelectric elementlayer or patch, witch are surface bonded on the laminate. An optimization of the patches position is performed to maximize the piezoelectric actuators efficiency as well as, the electric potential distribuition is search to reach the specified structure transverse displacement distribuition (shape control). A gradient based algorithm is used for this purpose. The model is applied in the optimization of illustrative laminated plate cases, and the results are presented and discussed.