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.

Modelização de um mecanismo de levitação supercondutor para um sistema de volante de inércia comercial

Este trabalho teve como objectivo o estudo de um sistema de levitação magnética com chumaceiras supercondutoras, para utilização numa fonte de alimentação de energia eléctrica ininterrupta, que usa um volante de inércia como sistema de armazenamento de energia. Partindo de um modelo comercial existente, foi modelizada a substituição do sistema de levitação por um sistema com chumaceiras supercondutoras. Foi feito o dimensionamento do magnete permanente e do supercondutor de forma a atingir-se a força de levitação magnética necessária para elevar o rotor da máquina, garantindo simultaneamente a máxima estabilidade do sistema. Os perfis de distribuição do campo magnético no volante de inércia foram modelizados recorrendo ao método dos elementos finitos, através da utilização do software Ansys. O cálculo da força de levitação foi efectuado recorrendo ao software MATHEMATICA.

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.

Influência da modelação de núcleos de betão armado no cálculo automático de estruturas de edifícios

O presente trabalho aborda a questão do comportamento e influência estrutural da modelação de um núcleo de secção aberta de parede fina no modelo tridimensional de elementos finitos de um edifício de betão armado, composto por 5 pisos sujeito à acção sísmica regulamentar. Para o efeito, foram considerados os Eurocódigos estruturais, nomeadamente o Eurocódigo 0, Eurocódigo 1 e Eurocódigo 8. A fim de avaliar a importância do tipo de modelação destes elementos estruturais, elemento fundamental para a caracterização da resposta dinâmica, foi desenvolvido um estudo paramétrico, fazendo-se a análise de quatro formas distintas de modelação do mesmo núcleo. Para os mesmos casos de carregamento, é feita uma análise comparativa entre os resultados obtidos a nível de períodos, percentagem de armadura nos pilares e no próprio núcleo bem como os deslocamentos para os modelos em estudo, com recurso a um programa de cálculo automático. O edifício considerado neste trabalho foi modelado com base no programa comercial de cálculo automático SAP 2000 versão 14.4. Posteriormente apresentam-se e discutem-se os resultados obtidos nos vários modelos em causa e para as várias situações propostas ao longo do trabalho.

Projecto de fundações e estrutura de um edifício de 4 pisos em Lisboa, destinado a habitação

O objectivo deste trabalho consiste na elaboração de um projecto de estruturas de um edifício, desde a fase de concepção estrutural até à fase de pormenorização, passando obviamente pelo dimensionamento. O trabalho foi motivo para aplicação dos conhecimentos adquiridos durante o curso, na prática de projecto de estruturas, nomeadamente na utilização da regulamentação europeia de estruturas que está para entrar em vigor. O projecto foi elaborado a partir do projecto base de arquitectura e diz respeito a um conjunto de 4 edifícios de habitação separados por junta de dilatação, a construir em Lisboa. A estrutura em betão armado constituída por lajes fungiformes maciças apoiadas em pilares, paredes de betão e vigas, foi analisada com recurso a um programa de cálculo automático de elementos finitos SAP 200 V14.2.4. Para a execução deste trabalho recorreu-se à regulamentação europeia, nomeadamente o Eurocódigo 0, o Eurocódigo 1, o Eurocódigo 2 e o Eurocódigo 8, na sua versão final de Norma Portuguesa. Os critérios de dimensionamento bem como as disposições construtivas relativas a armaduras de betão são detalhadamente referidos ao longo do trabalho. Embora a análise estrutural tenha sido efectuada para quatro edifícios, os desenhos de pormenorização de betão armado são apresentados relativamente apenas ao edifício Nº1. Optou-se por esta solução em virtude de os edifícios serem semelhantes.

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.

Utilização de modelos numéricos no cálculo estrutural de barragens gravidade de betão

O principal objectivo desta dissertação é a verificação da segurança de barragens gravidade. A verificação da segurança de estruturas pode ser efectuada recorrendo a diversas metodologias quer experimentais quer numéricas. Com este trabalho, procurou-se utilizar uma metodologia, baseada em métodos numéricos, específica e já devidamente testada no dimensionamento de barragens, mas de difícil acesso à grande maioria da comunidade técnico científico (Método dos Elementos Discretos), como forma de validação de uma metodologia mais corrente e de mais fácil acesso (Método dos Elementos Finitos). Como introdução ao tema é feita uma abordagem geral às barragens, diferenciando os vários tipos existentes. São apresentados os conceitos fundamentais da mecânica dos sólidos, e o comportamento estrutural de barragens, tal como os princípios de segurança a ter em conta num projecto de barragens de betão. Com base na descrição dos modelos de controlo de segurança de barragens gravidade efectuada, foram desenvolvidos dois modelos numéricos baseados em cada uma das metodologias de análise escolhida. Os modelos foram efectuados para um perfil típico de uma barragem gravidade de betão. Os métodos numéricos são desenvolvidos nos programas de cálculo SAP2000 e no 3DEC respectivamente para o Método dos Elementos Finitos e o Método dos Elementos Discretos. É feita a análise da estrutura através das duas metodologias, com base nos resultados em termos de deslocamentos, deformadas e tensões para as acções e combinações consideradas. Em face dos resultados numéricos são retiradas as conclusões elucidativas, sobre as metodologias mais correctas que deverão ser implementadas na verificação da segurança de barragens gravidade.

Estudo, projecto e análise comparativa de custos entre duas condições de fundação de um tanque hexano

No presente trabalho apresenta-se um estudo comparativo de duas opções de fundação (superficial e profunda) para um tanque de hexano, inserido numa bacia de retenção num complexo industrial. O estudo consiste na análise de projecto e dos custos dessas duas soluções de fundação, tendo em conta as condições geológicas e geotécnicas do local de implantação e as acções na estrutura do tanque e da fundação. Antes de introduzir o estudo anteriormente referido apresenta-se uma breve introdução sobre os tanques, a sua evolução como estrutura de armazenamento de combustíveis e seus derivados. Segue-se uma abordagem sobre os diversos tipos de fundações, referenciando as mais utilizadas nos tanques e a importância de um estudo geológico e geotécnico. O estudo de caso apresentado neste trabalho começa com um enquadramento geral da obra, descrevendo a estrutura do tanque e os condicionalismos da sua localização em termos geológicos e geotécnicos. Segue-se a análise estrutural do tanque, que envolve modelos de cálculo simplificados e um modelo de elementos finitos desenvolvido em SAP2000, para os quais se explica como se quantificam as acções permanentes e variáveis. Utilizando os resultados dos modelos antes referidos efectua-se o dimensionamento das duas opções de fundação de acordo com a regulamentação portuguesa para estruturas de betão armado, verificando-se os estados limites de segurança. O trabalho termina com uma análise comparativa de custos entre as duas opções de fundação.

Análise dinâmica de uma estrutura: estudo numérico e experimental

Com o presente trabalho pretende-se estudar e compreender o comportamento dinâmico de estruturas de engenharia civil, de forma a permitir a elaboração de algumas metodologias para o estudo e análise de problemas de dinâmica de estruturas. Apresenta-se uma revisão dos principais fundamentos da modelação matemática do comportamento dinâmico, com o estudo de sistemas de 1 grau de liberdade e posterior generalização para sistemas de múltiplos graus de liberdade. Apresentam-se também as formulações para análises de identificação modal no domínio do tempo e no domínio da frequência. Atendendo que a resolução do problema dinâmico deve cumprir duas etapas: integração no Espaço, e integração no tempo. Para a 1a etapa abordam-se os fundamentos dos métodos numéricos de integração no espaço (em particular, o método dos elementos finitos) com vista á implementação da sua formulação na ferramenta computacional freeFEM++. Para a 2a etapa abordam-se os métodos numéricos de integração no domínio do tempo (em particular, o método de Newmark), de forma a determinar a resposta de uma estrutura quando submetida a acções dinâmicas. Adicionalmente são introduzidos alguns conceitos essenciais ao estudo de resultados experimentais obtidos através da realização de ensaios de vibrações. Por último, estuda-se um modelo físico de um edifício de dois pisos, com base na análise de resultados de um ensaio de vibração ambiental e no desenvolvimento de dois modelos numéricos (em freeFEM++ e em SAP2000) para comparação e análise dos resultados obtidos e validação da ferramenta computacional desenvolvida. Após a calibração dos modelos numéricos aos resultados obtidos experimentalmente, procede-se a uma análise dinâmica dos modelos numéricos sujeitos a uma acção sísmica, com a posterior comparação e análise de resultados obtidos.

Análise computacional de juntas adesivas simples e duplas em materiais compósitos

Na presente dissertação tem-se como objectivo estudar dois dos métodos mais comuns de união adesiva de materiais compósitos laminados. Os métodos referidos são a junta sobreposta simples e a junta sobreposta dupla. A dissertação foi realizada usando o método de elementos finitos recorrendo ao software ABAQUS. Esta encontra-se dividida numa análise de tensões e numa análise dos modos de falha e da resistência das juntas. No que diz respeito à análise de tensões, são estudadas as distribuições de tensões e deformações para os dois tipos de juntas referidas, ao longo da linha média do adesivo. Esta análise de tensões tem em consideração a influência de vários parâmetros, como a espessura do adesivo, a espessura do aderente, o filete no aderente, o comprimento de sobreposição e a sequência de empilhamento, na distribuição de tensões na camada de adesivo. São também comparados as análises na qual se define o comportamento do adesivo como sendo elástico e noutra como sendo elasto-plástico. Relativamente à análise dos modos de falha e resistência da junta, além do modelo numérico que inclui elementos de interface, em conjunto com o ABAQUS, no sentido de prever a tensão de rotura e de simular o início e a propagação do dano que leva à rotura, é também efectuado uma análise analítica usando o critério de cedência para prever a força de rotura da junta. A validação de ambos os estudos foi efectuada comparando os resultados com artigos científicos ou relatórios já publicados.

Modelação do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira: formulação no espaço de estados com amortecimento generalizado

Com este trabalho mostra-se a importância da utilização integrada de modelos numéricos e de resultados da observação do comportamento dinâmico de barragens com vista ao controlo da segurança de sistemas barragem-fundação-albufeira. Neste trabalho utilizou-se o MATLAB para desenvolver um programa de elementos finitos 3D (DySSA 1.0, “Dynamic State Space Analysis”) para análise do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira considerando uma formulação em deslocamentos com a albufeira discretizada em elementos finitos com módulo de distorção nulo. Utiliza-se uma formulação no espaço de estados o que permite considerar amortecimento não proporcional à massa e à rigidez e conduz a modos de vibração complexos. Apresentam-se os fundamentos do método dos elementos finitos na perspetiva da sua implementação computacional para análise dinâmica de estruturas, e apresenta-se sumariamente o programa DySSA 1.0, o qual permite a análise estática e dinâmica de estruturas utilizando elementos finitos tridimensionais isoparamétricos do segundo grau (tipo cubo com 20 pontos nodais), e correspondentes elementos de junta (com 16 pontos nodais, 8 por cada face). O programa foi testado com base na análise dinâmica de uma parede em consola submetida à pressão hidrodinâmica. Os resultados numéricos foram comparados com soluções analíticas e com resultados experimentais obtidos no laboratório de estruturas do ISEL. Descrevem-se os fundamentos da análise dinâmica de estruturas no domínio do tempo, e referem-se os princípios em que se baseiam as metodologias de identificação modal no domínio da frequência. Analisa-se o comportamento dinâmico da barragem do Cabril em termos de frequências naturais e configurações modais, utilizando um modelo 3D representativo do sistema. Os resultados deste modelo numérico são comparados com resultados experimentais obtidos com base no sistema de monitorização dinâmica em contínuo, que foi instalado pelo LNEC em 2008.

Ponte de Muxima: análise e dimensionamento segundo os eurocódigos e relatório de construção

Com este trabalho pretendeu-se abordar duas fases distintas e complexas de uma megaestrutura do calibre de uma obra de arte especial, como pode ser considerado o objeto de estudo do trabalho, a fase de projeto e a fase de construção. Percebe-se, por intermédio deste trabalho, a importância da utilização de modelos numéricos, com recurso aos mais sofisticados programas de modelação tridimensional, onde é imprescindível a modelação tomando em consideração os efeitos das fases construtivas. Os fenómenos físicos como a fluência e retração são de consideração imperativa, tal como a influência das sobrecargas de serviço, como é o caso das sobrecargas regulamentares que já incluem os seus efeitos dinâmicos. Realizou-se um modelo longitudinal de elementos finitos de barra, utilizando os programas GP2004 e RM2004, para a análise da fase construtiva, da fase de entrada em serviço e a longo prazo, considerando-se os 8000 dias como sendo a fase em que a obra se encontra estabilizada em termos de redistribuição de tensões. Deste modelo foi possível obter as envolventes de esforços e de tensões e os deslocamentos em todos os elementos, cruciais para o dimensionamento dos vários elementos constituintes da obra, tais como tabuleiros, pilares, fundações, juntas de dilatação, aparelhos de apoio e sistemas de equilíbrio. Neste caso concreto, e por questões de economia de espaço, é apresentado o dimensionamento do tabuleiro da ponte, para as fases acima referidas e para a situação de estados limites últimos de resistência à flexão composta (secção 6.1 de EC2) e de resistência ao esforço transverso (secção 6.2 do EC2) e aos momentos torsores (secção 6.3 do EC2); e estados limites de serviço, nomeadamente para a abertura de fendas e para a descompressão. Deste modelo, comprovou-se que para as ações consideradas, a armadura longitudinal principal, armadura transversal das almas e armadura de suspensão da laje de fundo, cumprem as suas funções resistentes, em termos de momentos fletores, de esforços transversos máximos com momentos torsores associados e de momentos torsores máximos com esforços transversos associados. Desenvolveu-se e analisou-se, também, um modelo transversal em elementos finitos de placa para o estudo e dimensionamento da secção em caixão do tabuleiro da ponte, modelado numa primeira fase no programa CSI Bridge e posteriormente exportado para o programa SAP2000, onde foram introduzidas as ações atuantes. A análise foi efetuada para as secções de apoio e para a secção a meio vão, no entanto, apresenta-se apenas o dimensionamento da secção de meio vão. Deste modelo obtém-se a armadura transversal necessária para suprir as necessidades em termos de esforços nas zonas de encastramento transversal das lajes e consolas, nas zonas de variação de espessura e zonas centrais da laje. Obtém-se ainda a armadura longitudinal secundária para as zonas das lajes e consolas. Adquiriu-se e desenvolveu-se competências ao nível de dimensionamento de estruturas de betão armado utilizando as normativas europeias, nomeadamente o Eurocódigo 0 na definição das combinações a considerar para os diversos estados limite, o Eurocódigo 1 para a adoção das ações relevantes para o estudo da obra em questão e o Eurocódigo 2 para a definição e/ou dimensionamento dos tabuleiros de betão armado. As conclusões relativamente às diferenças que advêm da adoção de ações segundo as SATCC, utilizadas no projeto de execução original, contra as dos Eurocódigos são evidentes. São apontadas, no capítulo da conclusão, algumas considerações finais relativamente às diferenças de resultados entre o projeto original e o presente estudo, tendo em conta os regulamentos utilizados. Para além do atrás exposto em termos de verificação de segurança dos tabuleiros, compilou-se alguma informação referente à fase de construção da obra, nomeadamente, na apresentação de algumas fases mais relevantes, assim como referências ao estaleiro adotado para uma obra desta envergadura e num território tão complexo, quanto o Angolano.

Modelação em regime elástico-linear de pavimentos rodoviários

Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um programa de elementos finitos tridimensionais denominado AE3D1.0, concebido especificamente para a análise de pavimentos rodoviários, partindo do pressuposto de que todos os materiais incorporados possuem comportamento elástico-linear. Por comparação dos resultados do programa AE3D1.0 com as soluções analíticas da teoria da elasticidade para o semi-espaço homogéneo e multiestratificado, confirma-se que é possível estabelecer uma analogia próxima entre ambas as abordagens. Tirando partindo das potencialidades do método dos elementos finitos, e da capacidade do programa de registar os resultados de cálculo em ficheiros digitais que possibilitam a posterior apreciação visual e tratamento dos dados obtidos, comparam-se pavimentos rígidos expostos a carregamentos de canto e de bordo, e é evidenciado o efeito prejudicial que a erosão da estrutura de apoio subjacente à laje de betão tem na longevidade e integridade estrutural do pavimento. São também aplicadas forças de frenagem a pavimentos rígidos em secções confinadas e não confinadas. Elege-se um modelo de pneu para veículos pesados representativo das características do eixo padrão de 130 kN, e analisa-se o efeito que a correspondente impressão ovalizada e distribuição de pressões verticais não uniforme tem na estrutura de um pavimento semi-rígido. Adapta-se e é aplicada uma malha de elementos finitos ao estudo da avaliação da capacidade de carga de pavimentos através de ensaios com o defletómetro de impacto.

Determination of stresses around a cylindrical single pile caused by horizontal movements of soils with the finitive element method

This study was carried out with the aim of modeling in 2D, in plain strain, the movement of a soft cohesive soil around a pile, in order to enable the determination of stresses resulting along the pile, per unit length. The problem in study fits into the large deformations problem and can be due to landslide, be close of depth excavations, to be near of zones where big loads are applied in the soil, etc. In this study is used an constitutive Elasto-Plastic model with the failure criterion of Mohr-Coulomb to model the soil behavior. The analysis is developed considering the soil in undrained conditions. To the modeling is used the finite element program PLAXIS, which use the Updated Lagrangian - Finite Element Method (UL-FEM). In this work, special attention is given to the soil-pile interaction, where is presented with some detail the formulation of the interface elements and some studies for a better understand of his behavior. It is developed a 2-D model that simulates the effect of depth allowing the study of his influence in the stress distribution around the pile. The results obtained give an important base about how behaves the movement of the soil around a pile, about how work the finite element program PLAXIS and how is the stress distribution around the pile. The analysis demonstrate that the soil-structure interaction modeled with the UL-FEM and interface elements is more appropriate to small deformations problems.

Lar militar: projecto de execução

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas