Finite element computational modeling of externally bonded CFRP composites flexural behavior in RC beams

This paper focuses on the flexural behavior of RC beams externally strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) fabric. A non-linear finite element (FE) analysis strategy is proposed to support the beam flexural behavior experimental analysis. A development system (QUEBRA2D/FEMOOP programs) has been used to accomplish the numerical simulation. Appropriate constitutive models for concrete, rebars, CFRP and bond-slip interfaces have been implemented and adjusted to represent the composite system behavior. Interface and truss finite elements have been implemented (discrete and embedded approaches) for the numerical representation of rebars, interfaces and composites.

Finite element analysis of concrete cracking at early age

The study of the early age concrete properties is becoming more important, as the thermal effects and the shrinkage, even in the first hours, could generate cracks, increasing the permeability of the structure and being able to induce problems of durability and functionality in the same ones. The detailed study of the stresses development during the construction process can be decisive to keep low the cracking levels. In this work a computational model, based on the finite element method, was implemented to simulate the early age concrete behavior and, specially, the evaluation of the cracking risk. The finite element analysis encloses the computational modeling of the following phenomena: chemical, thermal, moisture diffusion and mechanical which occur at the first days after the concrete cast. The developed software results were compared with experimental values found in the literature, demonstrating an excellent approach for all the implemented analysis.

2D evaluation of crack openings using smeared and embedded crack models

This work deals with the determination of crack openings in 2D reinforced concrete structures using the Finite Element Method with a smeared rotating crack model or an embedded crack model In the smeared crack model, the strong discontinuity associated with the crack is spread throughout the finite element As is well known, the continuity of the displacement field assumed for these models is incompatible with the actual discontinuity However, this type of model has been used extensively due to the relative computational simplicity it provides by treating cracks in a continuum framework, as well as the reportedly good predictions of reinforced concrete members` structural behavior On the other hand, by enriching the displacement field within each finite element crossed by the crack path, the embedded crack model is able to describe the effects of actual discontinuities (cracks) This paper presents a comparative study of the abilities of these 2D models in predicting the mechanical behavior of reinforced concrete structures Structural responses are compared with experimental results from the literature, including crack patterns, crack openings and rebar stresses predicted by both models

On the classification of mixed construction and demolition waste aggregate by porosity and its impact on the mechanical performance of concrete

The properties of recycled aggregate produced from mixed (masonry and concrete) construction and demolition (C&D) waste are highly variable, and this restricts the use of such aggregate in structural concrete production. The development of classification techniques capable of reducing this variability is instrumental for quality control purposes and the production of high quality C&D aggregate. This paper investigates how the classification of C&D mixed coarse aggregate according to porosity influences the mechanical performance of concrete. Concretes using a variety of C&D aggregate porosity classes and different water/cement ratios were produced and the mechanical properties measured. For concretes produced with constant volume fractions of water, cement, natural sand and coarse aggregate from recycled mixed C&D waste, the compressive strength and Young modulus are direct exponential functions of the aggregate porosity. Sink and float technique is a simple laboratory density separation tool that facilitates the separation of cement particles with lower porosity, a difficult task when done only by visual sorting. For this experiment, separation using a 2.2 kg/dmA(3) suspension produced recycled aggregate (porosity less than 17%) which yielded good performance in concrete production. Industrial gravity separators may lead to the production of high quality recycled aggregate from mixed C&D waste for structural concrete applications.

Genetic algorithms for design of liquid retaining structure

In this paper, genetic algorithm (GA) is applied to the optimum design of reinforced concrete liquid retaining structures, which comprise three discrete design variables, including slab thickness, reinforcement diameter and reinforcement spacing. GA, being a search technique based on the mechanics of natural genetics, couples a Darwinian survival-of-the-fittest principle with a random yet structured information exchange amongst a population of artificial chromosomes. As a first step, a penalty-based strategy is entailed to transform the constrained design problem into an unconstrained problem, which is appropriate for GA application. A numerical example is then used to demonstrate strength and capability of the GA in this domain problem. It is shown that, only after the exploration of a minute portion of the search space, near-optimal solutions are obtained at an extremely converging speed. The method can be extended to application of even more complex optimization problems in other domains.

Rapid maxillary expansion causes neuronal activation in brain structures of rats

A correlation between pain sensation and neuronal c-fos expression has been analyzed following experimental rapid maxillar expansion (RME). Adult male Wistar rats were anaesthetized and divided into three groups: animals that received an orthodontic apparatus, which was immediately removed after the insertion (control), animals that received an inactivated orthodontic apparatus (without force), and animals that received an orthodontic apparatus previously activated (140 g force). After 6, 24, 48, or 72 h, the animals were re-anaesthetized, and perfused with 4% paraformaldehyde. The brains were removed, fixed, and sections containing brain structures related to nociception were processed for Fos protein immunohistochemistry (IHC). The insertion of the orthodontic apparatus with 140 g was able to cause RME that could be seen by radiography. The IHC results showed that the number of activated neurons in the different nuclei changed according to the duration of appliance insertion and followed a temporal pattern similar to that of sensations described in clinics. The animals that received the orthodontic apparatus without force did not show RME but a smaller c-fos expression in the same brain structures. In conclusion, we demonstrate that orthodontic force used for palate disjunction activates brain structures that are related to nociception, and that this activation is related to the pain sensation described during orthodontic treatment. (c) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Durability performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates

Fine recycled aggregates are seen as the last choice in recycling for concrete production. Many references quote their detrimental influence on the most important characteristics of concrete: compressive and tensile strength; modulus of elasticity; water absorption; shrinkage: carbonation and chloride penetration. These two last characteristics are fundamental in terms of the long-term durability of reinforced or prestressed concrete. In the experimental research carried out at IST, part of which has already been published, different concrete mixes (with increasing rates of substitution of fine natural aggregates sand - with fine recycled aggregates from crushed concrete) were prepared and tested. The results were then compared with those for a reference concrete with exactly the same composition and grading curve, but with no recycled aggregates. This paper presents the main results of this research for water absorption by immersion and capillarity, chloride penetration (by means of the chloride migration coefficient), and carbonation resistance, drawing some conclusions on the feasibility of using this type of aggregate in structural concrete, while taking into account any ensuing obvious positive environmental impact.

Dimensionamento de um passadiço pedonal em estrutura metálica, com fundações em betão armado

A elaboração deste projecto, integrado no âmbito do Trabalho Final de Mestrado, para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, tem como objectivo o dimensionamento de um passadiço pedonal em estrutura metálica, com fundações em betão armado. Este documento inclui quase todos os elementos necessários ao projecto de execução da referida estrutura. Para o dimensionamento do passadiço pedonal procedeu-se à quantificação das acções e posteriormente à verificação da segurança de todos os elementos estruturais tendo por base os critérios e especificações técnicas preconizados nas Normas Europeias relativas ao projecto estrutural (Eurocódigos estruturais). Tratando-se de um passadiço destinado à circulação de peões e cuja estrutura metálica apresenta um certo grau de flexibilidade devido à esbelteza dos elementos estruturais, esta poderá estar sujeita a acções dinâmicas periódicas provocadas pelas pessoas quando percorrem o passadiço, podendo ocasionar certos níveis de vibração que sob o ponto de vista de segurança estrutural serão pouco relevantes, sendo no entanto excessivos do ponto de vista do conforto humano. Foi por isso efectuado um estudo dinâmico, com o objectivo de caracterizar a resposta dinâmica da estrutura quando solicitada a carregamentos de natureza periódica como é o caso da acção do peão, de modo a garantir que a utilização desta estrutura esteja dentro dos parâmetros de conforto aceitáveis. A modelação da estrutura e consequente discretização geral desta, foi feita recorrendo a programa de elementos finitos, SAP2000, versão 14.0.0. O dimensionamento das ligações constitui outros dos aspectos fundamentais no projecto desta estrutura metálica.

Simulação numérica do comportamento dinâmico de uma laje

Nesta dissertação pretende-se simular o comportamento dinâmico de uma laje de betão armado aplicando o Método de Elementos Finitos através da sua implementação no programa FreeFEM++. Este programa permite-nos a análise do modelo matemático tridimensional da Teoria da Elasticidade Linear, englobando a Equação de Equilíbrio, Equação de Compatibilidade e Relações Constitutivas. Tratando-se de um problema dinâmico é necessário recorrer a métodos numéricos de Integração Directa de modo a obter a resposta em termos de deslocamento ao longo do tempo. Para este trabalho escolhemos o Método de Newmark e o Método de Euler para a discretização temporal, um pela sua popularidade e o outro pela sua simplicidade de implementação. Os resultados obtidos pelo FreeFEM++ são validados através da comparação com resultados adquiridos a partir do SAP2000 e de Soluções Teóricas, quando possível.

Projecto de fundações e estrutura de um edifício destinado a pavilhão gimnodesportivo

Este trabalho tem como objectivo a elaboração do projecto de estruturas de um edifício destinado a pavilhão gimnodesportivo, caracterizando as suas diferentes fases de execução, desde a etapa inicial de concepção até à fase final de dimensionamento. Trata-se de um projecto complexo de uma estrutura com elementos estruturais em betão armado e pré-esforçado, e com muros de contenção. Na concepção do edifício foram utilizados os critérios gerais de dimensionamento presentes na regulamentação Europeia (Eurocódigos), uma vez que estes elementos representam o futuro da regulamentação de estruturas em termos Europeus, vindo substituir a nível nacional o “Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Betão Armado (RSA)” e o “Regulamento para Estruturas de Betão Armado e Pré- Esforçado (REBAP)”. A adopção das normas europeias representam assim um elevado desafio devido ao aumento da complexidade na concepção e dimensionamento de estruturas que estes regulamentos traduzem, principalmente o Eurocódigo 8, que define de um modo mais detalhado e complexo a análise sísmica, relativamente à regulamentação actual em vigor. Devido à elevada complexidade que os projectos de estruturas apresentam, utilizam-se actualmente ferramentas de cálculo automático. No dimensionamento deste edifício foi utilizado um programa tridimensional de elementos finitos para a modelação da estrutura. Pretende-se com a escolha deste projecto e dos métodos de dimensionamento presentes nos Eurocódigos, o desenvolvimento de um trabalho detalhado e correcto, permitindo assim adquirir conhecimentos importantes relativamente às futuras normas, e pôr em prática as competências e os conhecimentos obtidos ao longo curso.

Projeto de estruturas e fundações de um edifício de serviços

O presente trabalho é o culminar de um percurso académico cheio de aprendizagens que me preencheu por completo. A realização de um projeto de estruturas como trabalho final de mestrado (TFM) foi uma escolha fácil, pois, na minha opinião, permite fazer a transição entre os conceitos adquiridos durante o curso e os métodos utilizados no ambiente não académico. O objetivo do trabalho é realizar o projeto de estruturas e fundações de um edifício destinado a serviços. Foram aplicados os conhecimentos adquiridos ao longo de todo o curso de Engenharia Civil, em especial das Unidades Curriculares de dimensionamento de estruturas. Foi elaborado um modelo da estrutura num programa de cálculo automático: SAP2000. Assim, de acordo com os resultados fornecidos pelo programa e através da consulta dos regulamentos nacionais (REBAP e RSA) e internacionais (Eurocódigos), foi possível dimensionar todos os elementos estruturais. Os diferentes aspetos condicionantes no projeto foram devidamente analisados e discutidos, por forma a encontrar a solução que mais se adequa ao pretendido. Todas as opções tomadas são devidamente justificadas, procurando-se elaborar um trabalho detalhado e, acima de tudo, correto. É importante dizer ainda que, a permanente troca de ideias e conhecimentos entre colegas e, como é óbvio, com o orientador do trabalho, foi muito relevante na realização deste trabalho. Uma parte essencial de um projeto são, sem dúvida, as peças desenhadas. Nesse capítulo tentou-se atingir um nível de detalhe e simplicidade que permita uma interpretação inequívoca dos mesmos.

Estudo de uma solução alternativa para o prolongamento do Molhe - Cais do Porto das Velas, Açores

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil Especialização em Hidráulica

Projecto de execução de um viaduto ferroviário em betão armado e pré-esforçado

Trabalho de Projecto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Estruturas

Direcção de obra – obras de arte auto-estrada Transmontana – área 3

Este relatório diz respeito ao trabalho desenvolvido em ambiente de estágio académico numa Empreitada compreendendo Obras de Arte Correntes e Obras de Arte Especiais inseridas em traçado actual do IP4 que está a ser transformado em Auto-Estrada. As Obras de Arte Correntes compreendem Passagens Superiores, Passagens Inferiores e Passagens superiores de Nó. As Obras de Arte Especiais compreendem duas Pontes com vãos distintos. Todas as Obras de Arte referidas neste relatório contemplam uma solução mista de betão armado “in situ” e tabuleiros com vigas e pré-lajes em betão pré-fabricado. Além da descrição de todas as actividades realizadas em betão armado “in situ”, desde as fundações até ao tabuleiro, descreve também a execução dos diversos tipos de trabalhos de acabamentos. Além das actividades de construção civil, é efectuada uma descrição das actividades a cujo processo de realização estão associados trabalhos de concepção e desenvolvimento, como é o caso dos cimbres. Este relatório faz uma descrição abrangente das funções da Direcção de Obra numa Empreitada de Obras de Arte, que para além da execução da obra, com todas as actividades que lhe são inerentes, compreende várias áreas funcionais que fazem parte de uma empresa de construção civil, como a área comercial, financeira, planeamento, aprovisionamento, controlo orçamental, gestão contratual, gestão de subempreitadas e gestão da qualidade, ambiente e segurança.

Deterioração e reabilitação de estruturas de betão armado

Apesar da enorme evolução tecnológica, os prazos na construção são cada vez mais reduzidos e os custos mais controlados, verificando-se uma despreocupação no que diz respeito a aspetos como a qualidade e durabilidade da construção das estruturas. Desperta assim nos técnicos, donos-de-obra, entidades executantes e projetistas a necessidade de avaliar o estado de conservação das estruturas de betão armado. Esta dissertação tem como objetivo principal abordar as anomalias e os mecanismos de deterioração mais correntes, os métodos de ensaio destrutivos ou parcialmente destrutivos mais utilizados e adequados, e abordar algumas das técnicas de reparação e reforço das estruturas de betão armado. Os principais danos apresentados nas estruturas são devidos a agentes físicos, mecânicos, biológicos e químicos. Podem ser devidos a causas diretas (acidentais ou naturais), que acarretam uma ação concreta sobre os elementos estruturais, e causas indiretas (humanas), diretamente ligadas com erros de projeto. É primordial fazer-se o levantamento de todas as anomalias existentes para se recorrer a um método de inspeção e ensaio. Consoante a necessidade de informação e estado da estrutura são selecionados os ensaios a realizar, podendo ser realizados “in situ” ou em laboratório. As técnicas de reparação e reforço são vistas como métodos para melhorar as condições da estrutura ao nível da segurança, desempenho, habitabilidade e durabilidade, prevenindo a evolução dos mecanismos de deterioração.