Análise numérica e experimental de um modelo dinâmico da ponte ferroviária de Antuã

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo Estruturas

Influência do tipo de adesivo em juntas híbridas soldadas-adesivas

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados, tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas e o descentramento da carga aplicada que provoca efeitos de flexão, os quais dão origem a tensões normais na direcção da espessura do adesivo (tensões de arrancamento), afectando assim a resistência da junta. A combinação da ligação adesiva com a soldadura por pontos permite algumas vantagens em comparação com as juntas adesivas tradicionais como a maior resistência, aumento da rigidez, melhor resistência ao corte e arrancamento e também à fadiga. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples adesivas e híbridas (adesivas-soldadas). Os adesivos utilizados são o Araldite AV138®, apresentado como sendo frágil, e os adesivos Araldite 2015® e Sikaforce® 7752, intitulados como adesivos dúcteis. Foram considerados substratos de aço (C45E) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição ( ), que foram sujeitas a esforços de tracção. Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efectuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos por Elementos Finitos (EF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por Modelos de Dano Coesivo (MDC). A análise por MDC permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas com bastante precisão, com excepção das juntas coladas com o adesivo Sikaforce® 7752. Estes resultados permitiram validar a técnica de modelação proposta para as juntas coladas e híbridas, o que representa uma base para posterior aplicação desta técnica em projecto, com as vantagens decorrentes da redução do tempo de projecto e maior facilidade de optimização.

Estruturas de Suporte de Terras Executadas Com Pneus. Estudo Paramétrico e Conceção de Protótipo

No presente trabalho descreve-se o estudo realizado no Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP) com o objetivo de comprovar a viabilidade da utilização de pneus em fim de vida em estruturas de solo reforçado. As estruturas de suporte de terras materializadas com pneus preenchidos com solo são usadas em alguns países, sobretudo em estruturas do tipo gravidade. Investiga-se neste trabalho o seu desempenho em estruturas de solo reforçado. Com a finalidade de prever o comportamento da construção, foi utilizado um software desenvolvido pela empresa Canadiana Rocscience, denominado Phase2. Com este software foi possível fazer uma análise paramétrica da secção transversal do modelo, avaliando os esforços e os deslocamentos que se desenvolvem no interior da estrutura, através da utilização do Método dos Elementos Finitos. Foi efetuada uma campanha de ensaios laboratoriais, realizados com amostras de solo retiradas do local de construção do protótipo, com o intuito de caracterizar os parâmetros do solo A definição destes parâmetros tem como objetivo tornar a simulação o mais fidedigna possível. Estruturas de Suporte de Terras Executadas Com Pneus. Estudo Paramétrico e Conceção de Protótipo Como validação da modelação realizada no programa Phase2, o protótipo será devidamente instrumentado com equipamentos de monitorização; a informação recolhida receberá um tratamento posterior e permitirá a calibração do modelo numérico. No presente trabalho define-se o plano de monitorização a instalar no protótipo.

Projeto de um centro de roda para veículo de competição

A presente tese surgiu da cooperação entre a empresa Semog Racing e o Instituto Superior de Engenharia do Porto, no âmbito da unidade curricular de DPEST, englobado no 2º ano do Mestrado de Engenharia Mecânica, ramo de Construções Mecânicas. Esta dissertação tem como objetivo principal, o projeto de um novo centro de roda para substituir o existente num veículo de competição da Semog Racing. Este centro deverá ser dimensionado para suportar o peso do veículo e os esforços transmitidos à roda. Pretende-se igualmente que o novo modelo apresente um design apelativo e um baixo custo de produção para poder vir ser a comercializado. Na primeira fase, será estudado o centro de roda original fornecido pela Semog Racing. Este estudo engloba a modelação do componente através do software SolidWorks® e uma fase de simulações para diferentes condições de carregamento. O estudo será complementado com a realização de ensaios experimentais para validação do modelo numérico. A segunda fase é dedicada ao desenvolvimento do novo modelo de centro de roda, focando as características mecânicas e o design. Este tem como base o estudo numérico realizado para a roda original, tendo sempre como objetivo final garantir que o novo centro de roda cumpra todos os requisitos. O caminho seguido no processo de otimização é suportado em simulações numéricas pelo método dos elementos finitos, o qual permite aferir quais os pontos críticos a corrigir. No final, será apresentado um novo modelo de centro de roda capaz de suportar as cargas previstas de serviço, que apresente um baixo custo de fabrico e design apelativo.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

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.

Aplicação do modelo escoras e tirantes a vigas parede de acordo com o Eurocódigo 2:2010

O Modelo Escoras e Tirantes surgiu no início do Século XX quando Ritter e Mörsch estabeleceram a analogia entre uma treliça clássica e uma viga de betão armado. Desde então pesquisadores têm estudado esse modelo como método de dimensionamento. A partir dos anos 90 várias normas apresentaram a utilização do modelo escoras e tirantes como relevante no dimensionamento de elementos de betão armado. Os critérios de segurança do Modelo Escoras e Tirantes são neste trabalho explicados de acordo com o Eurocódigo 2:2010, e comparadas com as normas NBR 6118:2014 e ACI 318:2011. É unanime dizer que a utilização do método torna-se mais vantajosa para regiões de descontinuidade. Em todos os elementos de betão armado, o Método Escoras e Tirantes são representações dos campos de tensão idealizados por elementos comprimidos e tracionados. Para a definição destes elementos é proposto o processo de “caminho de carga” em que conhecidas as tensões elásticas e suas direções principais utilizando o Método dos Elementos Finitos o modelo das escoras e tirantes é de fácil concepção. É também possível a definição deste a partir de modelos padrão já concebidos para determinados tipos de elementos estruturais de betão armado. Para o elemento descontinuo viga-parede estudado foram apresentados cinco modelos de cálculo até otimizar a solução validando as tensões com o Método dos Elementos Finitos. Em todos os modelos foram analisadas a definição do Modelo Escoras e Tirantes, a resistência das escoras, dos tirantes e dos nós até chegar à solução construtiva da viga-parede. Concluiu-se que a definição do modelo é a chave do dimensionamento.

Tensile stress–crack width law for steel fibre reinforced self-compacting concrete obtained from indirect (splitting) tensile tests

In this work, the fracture mode I parameters of steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) were derived from the numerical simulation of indirect splitting tensile tests. The combined experimental and numerical research allowed a comparison between the stress-crack width (σ - w) relationship acquired straightforwardly from direct tensile tests, and the σ - w response derived from inverse analysis of the splitting tensile tests results. For this purpose a comprehensive nonlinear 3D finite element (FE) modeling strategy was developed. A comparison between the experimental results obtained from splitting tensile tests and the corresponding FE simulations confirmed the good accuracy of the proposed strategy to derive the σ – w for these composites. It is concluded that the post-cracking tensile laws obtained from inverse analysis provided a close relationship with the ones obtained from the experimental uniaxial tensile tests.

Structural assessment of a masonry vault in Portugal

This paper reports on a structural safety assessment and performance evaluation of the upper choir of the Santa Maria de Belém Church in the Jerónimos monastery, Lisbon, one of the most important cultural heritage buildings in Portugal. The possibility of adding a new 20 t organ to the upper choir and its effects on the church structure's response are presented. A refined and a simplified finite-element model is developed to investigate the structure's performance under self-weight and seismic actions. A sensitivity analysis is performed to investigate the effect of masonry mechanical properties and rib cross-sections on the structural response, given the difficulty in accurately obtaining this information. The results show that the safety level of the structure is acceptable, even in the case of adding a heavy new organ.

Innovative methodologies for the enhancement of the flexural strengthening performance of NSM CFRP technique for RC beams

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil

A multi–physics approach applied to masonry structures with non–hydraulic lime mortars

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil (área de especialização em Engenharia de Estruturas).

Orthotropic active strain models for the numerical simulation of cardiac biomechanics

An active strain formulation for orthotropic constitutive laws arising in cardiac mechanics modeling is introduced and studied. The passive mechanical properties of the tissue are described by the Holzapfel-Ogden relation. In the active strain formulation, the Euler-Lagrange equations for minimizing the total energy are written in terms of active and passive deformation factors, where the active part is assumed to depend, at the cell level, on the electrodynamics and on the specific orientation of the cardiac cells. The well-posedness of the linear system derived from a generic Newton iteration of the original problem is analyzed and different mechanical activation functions are considered. In addition, the active strain formulation is compared with the classical active stress formulation from both numerical and modeling perspectives. Taylor-Hood and MINI finite elements are employed to discretize the mechanical problem. The results of several numerical experiments show that the proposed formulation is mathematically consistent and is able to represent the main key features of the phenomenon, while allowing savings in computational costs.

Dynamic compact thermal models with multiple power sources: application to an ultrathin chip stacking technology

Whereas numerical modeling using finite-element methods (FEM) can provide transient temperature distribution in the component with enough accuracy, it is of the most importance the development of compact dynamic thermal models that can be used for electrothermal simulation. While in most cases single power sources are considered, here we focus on the simultaneous presence of multiple sources. The thermal model will be in the form of a thermal impedance matrix containing the thermal impedance transfer functions between two arbitrary ports. Eachindividual transfer function element ( ) is obtained from the analysis of the thermal temperature transient at node ¿ ¿ after a power step at node ¿ .¿ Different options for multiexponential transient analysis are detailed and compared. Among the options explored, small thermal models can be obtained by constrained nonlinear least squares (NLSQ) methods if the order is selected properly using validation signals. The methods are applied to the extraction of dynamic compact thermal models for a new ultrathin chip stack technology (UTCS).

Strengthening of Existing Single Span Steel Beam and Concrete Deck Bridges, HR-238, Part II, 1985

The unifying objective of Phases I and II of this study was to determine the feasibility of the post-tensioning strengthening method and to implement the technique on two composite bridges in Iowa. Following completion of these two phases, Phase III was undertaken and is documented in this report. The basic objectives of Phase III were further monitoring bridge behavior (both during and after post-tensioning) and developing a practical design methodology for designing the strengthening system under investigation. Specific objectives were: to develop strain and force transducers to facilitate the collection of field data; to investigate further the existence and effects of the end restraint on the post-tensioning process; to determine the amount of post-tensioning force loss that occurred during the time between the initial testing and the retesting of the existing bridges; to determine the significance of any temporary temperature-induced post-tensioning force change; and to develop a simplified design methodology that would incorporate various variables such as span length, angle-of-skew, beam spacing, and concrete strength. Experimental field results obtained during Phases II and III were compared to the theoretical results and to each other. Conclusions from this research are as follows: (1) Strengthening single-span composite bridges by post-tensioning is a viable, economical strengthening technique. (2) Behavior of both bridges was similar to the behavior observed from the bridges during field tests conducted under Phase II. (3) The strain transducers were very accurate at measuring mid-span strain. (4) The force transducers gave excellent results under laboratory conditions, but were found to be less effective when used in actual bridge tests. (5) Loss of post-tensioning force due to temperature effects in any particular steel beam post-tensioning tendon system were found to be small. (6) Loss of post-tensioning force over a two-year period was minimal. (7) Significant end restraint was measured in both bridges, caused primarily by reinforcing steel being continuous from the deck into the abutments. This end restraint reduced the effectiveness of the post-tensioning but also reduced midspan strains due to truck loadings. (8) The SAP IV finite element model is capable of accurately modeling the behavior of a post-tensioned bridge, if guardrails and end restraints are included in the model. (9) Post-tensioning distribution should be separated into distributions for the axial force and moment components of an eccentric post-tensioning force. (10) Skews of 45 deg or less have a minor influence on post-tensioning distribution. (11) For typical Iowa three-beam and four-beam composite bridges, simple regression-derived formulas for force and moment fractions can be used to estimate post-tensioning distribution at midspan. At other locations, a simple linear interpolation gives approximately correct results. (12) A simple analytical model can accurately estimate the flexural strength of an isolated post-tensioned composite beam.