Modelação não linear de estruturas metálicas e mistas em situação de incêndio no software OpenSees

Os incêndios em edifícios representam um fenómeno que pode ter consequências devastadoras quando não controlado, não só em termos de perdas de vidas humanas, como em termos económicos. No passado, a ocorrência de incêndios de grandes dimensões mostrou os efeitos do fogo descontrolado nos edifícios, assim como a ineficiência dos meios de segurança ativa ao fogo. Nas últimas duas décadas, estas questões motivaram o estudo e compreensão da ação dos incêndios nas estruturas dos edifícios. Neste trabalho estuda-se a modelação da ação do fogo em estruturas metálicas e mistas, com o objetivo de contribuir para a sua melhor caracterização. A presente tese foca-se na validação e compreensão da implementação de análises termo-mecânicas a estruturas mistas no software de elementos finitos OpenSees (Open System for Earthquake Engineering Simulation), contribuindo assim para futuros estudos, não só de análises de estruturas mistas sujeitas a incêndio, mas também de análises de estruturas mistas sujeitas a eventos consecutivos, como sismo seguido de incêndio. Neste trabalho é feita uma breve descrição do fenómeno fogo, assim como dos processos inerentes à dinâmica de um incêndio que constituem uma fonte de incerteza para a modelação de cenários de incêndio num edifício. Posto isto, são abordados alguns modelos de incêndios presentes nos Eurocódigos, assim como o recente modelo de fogos móveis(“Travelling fires”). São realizados exemplos de aplicação no software e dois casos de estudo. O primeiro consiste na modelação de dois ensaios ao fogo realizados na Alemanha em 1986 em estruturas metálicas à escala 1/4. O segundo consiste na modelação de um ensaio ao fogo a uma viga de betão armado simplesmente apoiada, realizado no Instituto Superior Técnico em 2010. Os modelos numéricos desenvolvidos no OpenSees contabilizam as não linearidades físicas e geométricas, com elementos finitos de plasticidade distribuída e com uma formulação baseada em deslocamentos. Os resultados numéricos são então comparados com os experimentais, de modo a validar as análises termo-mecânicas no OpenSees.

Desenvolvimento experimental e simulação numérica em soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica

A soldadura por fricção linear (SFL) é um processo de ligação no estado sólido com capacidade para soldar materiais dissimilares e ligas metálicas de baixa soldabilidade. Contudo, nas juntas soldadas com uma configuração topo-a-topo é possível o aparecimento de defeitos na raiz do cordão, nomeadamente, de falta de penetração e de alinhamentos de óxidos. Estes defeitos são responsáveis pela diminuição da resistência mecânica das juntas, sobretudo quando sujeitas a esforços de fadiga. Existem variantes do processo para eliminar este tipo de defeitos, no entanto, verificam-se algumas dificuldades tecnológicas e a competitividade do processo é afetada. No âmbito deste trabalho desenvolveu-se uma variante do processo designado soldadura por fricção linear assistida por corrente elétrica (SFLAE). Esta variante consiste em introduzir uma corrente elétrica de elevada intensidade na zona da raiz do cordão, por forma a que o calor gerado por efeito de Joule aqueça o material e aumente o fluxo visco-plástico nessa zona, tendo em vista atenuar ou eliminar os defeitos na raiz. Foram concebidas e produzidas ferramentas de SFL dedicadas, melhorado um modelo analítico do processo, realizadas simulações numéricas para permitir compreender alguns fenómenos físicos envolvidos no processo, e realizados ensaios experimentais de validação. A análise aos cordões permitiu observar uma diminuição da espessura dos defeitos na raiz em três ensaios realizados na liga AA1100 e AA6084-T6 usando intensidades de corrente de 300 A. Dos resultados de microdureza e de medição de condutividade elétrica é possível concluir que a microestrutura do material não é significativamente alterada pela passagem de corrente elétrica.

Diffusional kurtosis imaging using a fast heuristic constrained linear least squares algorithm: a plugin for OsiriX

Diffusion Kurtosis Imaging (DKI) is a fairly new magnetic resonance imag-ing (MRI) technique that tackles the non-gaussian motion of water in biological tissues by taking into account the restrictions imposed by tissue microstructure, which are not considered in Diffusion Tensor Imaging (DTI), where the water diffusion is considered purely gaussian. As a result DKI provides more accurate information on biological structures and is able to detect important abnormalities which are not visible in standard DTI analysis. This work regards the development of a tool for DKI computation to be implemented as an OsiriX plugin. Thus, as OsiriX runs under Mac OS X, the pro-gram is written in Objective-C and also makes use of Apple’s Cocoa framework. The whole program is developed in the Xcode integrated development environ-ment (IDE). The plugin implements a fast heuristic constrained linear least squares al-gorithm (CLLS-H) for estimating the diffusion and kurtosis tensors, and offers the user the possibility to choose which maps are to be generated for not only standard DTI quantities such as Mean Diffusion (MD), Radial Diffusion (RD), Axial Diffusion (AD) and Fractional Anisotropy (FA), but also DKI metrics, Mean Kurtosis (MK), Radial Kurtosis (RK) and Axial Kurtosis (AK).The plugin was subjected to both a qualitative and a semi-quantitative analysis which yielded convincing results. A more accurate validation pro-cess is still being developed, after which, and with some few minor adjust-ments the plugin shall become a valid option for DKI computation

Autonomia funcional em idosos : caracterização multidimensional em idosos utentes de um centro de saúde urbano

RESUMO: Tivemos como objectivo do presente trabalho avaliar a capacidade funcional, e factores eventualmente a ela associados, numa amostra de 152 idosos ambulatórios, sem doenças agudas ou graves, utentes de um centro de saúde urbano. Cada avaliação consistiu numa entrevista, mediante um inquérito sobre capacidade funcional, morbilidade, estado mental e aspectos sociais, e no estudo da composição corporal. As perguntas referentes às variáveis estudadas foram por nós desenvolvidas e estruturadas com base em escalas internacionais validadas e de utilização comum na avaliação de idosos, excepto para as variáveis em que não encontrámos escalas com essas características. Os seus quesitos foram incluídos como perguntas e respostas estruturadas e pré-codificadas, permitindo a atribuição de uma pontuação a cada variável e a sua posterior divisão dicotómica. Aplicámos as escalas de Katz e de Lawton para a avaliação das actividades de autonomia física e instrumental da vida diária, a escala de Grimby para a avaliação da actividade física, a escala de Hamilton e o teste de Folstein para a avaliação do estado mental nas vertentes afectiva e cognitiva e a escala de Graffar para caracterizar a classe social, e perguntas sobre locomoção, autoavaliação da saúde, queixas de saúde presentes e rede social. Fizemos o registo da morbilidade segundo a International Classification of Primary Care - ICPC. A avaliação antropométrica constou da medição do peso, da altura, dos perímetros do braço, da cintura, da anca e proximal da coxa, e das pregas bicipital, tricipital, sub-escapular e supra-ilíaca. Foi também feita a estimativa da composição corporal por cálculos derivados de índices antropométricos e de bioimpedância eléctrica corporal total, o doseamento de algumas proteínas plasmáticas e a quantificação da força de preensão. Analisámos os resultados obtidos por grupos quanto ao sexo e à idade, dividida nos escalões etários 65 a 74 anos e mais do que 74 anos. Por regressão linear múltipla, foi testado o efeito do sexo e da idade sobre os valores medidos, para cada uma das variáveis e cada uma das suas pontuações parciais, sendo considerado como evidência de um efeito estaticamente significativo um valor “p” inferior a 0,05.Resumimos do seguinte modo os dados obtidos e a sua comparação com os dos estudos que seleccionámos como referência: A média de idades da amostra foi de 74 anos, sendo um terço destes do sexo masculino. Na sua maioria eram independentes em locomoção e funcionalidade, praticavam alguma actividade física, classificavam a sua saúde como razoável ou boa, apresentavam sintomatologia activa, não tinham depressão ou demência, tinham quem os acompanhasse embora cerca de metade apresentasse algum grau de isolamento, eram de baixa classe social, tinham excesso de peso, valores elevados de massa gorda, parâmetros plasmáticos proteicos compatíveis com ausência de doenças agudas ou graves e considerável força muscular de preensão. Na análise descritiva por grupos quanto ao sexo e/ou à idade, verificou-se que as mulheres e os mais idosos apresentavam maior isolamento social e os valores mais baixos de massa magra, hemoglobina e força de preensão. As mulheres tinham maior prevalência de dependência em autonomia física, depressão e valores mais baixos de transferrina. Os mais idosos apresentavam maior dependência em funcionalidade, menor actividade física, maior prevalência de demência, índice de massa corporal menos elevado, e valores mais baixos de albumina. Não se verificou prevalência de piores resultados dicotómicos nos homens nem no escalão etário menos idoso. Não teve relação com o sexo ou a idade o compromisso em autonomia instrumental, a presença de morbilidade ou a baixa classe social, assim como a não perturbação da locomoção e dos níveis de somatomedina-C. A análise comparativa com estudos multidimensionais em idosos portugueses e europeus ambulatórios revelou que a nossa amostra apresentava muitas características semelhantes às desses idosos. Assim, tinham elevada independência em locomoção, considerável independência em autonomia física e menor independência em autonomia instrumental; prática de actividade física ligeira, as mulheres dentro e os homens fora de casa; maior prevalência de morbilidade a nível dos aparelhos locomotor e cardiocirculatório, nos nossos idosos com pouca flutuação na autoavaliação de saúde; pequena prevalência de depressão e de demência; maior isolamento social nas mulheres e nas mais idosas; factores de classe social de baixo nível, diferindo apenas em relação aos idosos do norte da Europa que apresentavam elevada escolaridade e profissões mais diferenciadas; características biométricas sobreponíveis às dos idosos portugueses e às dos do sul da Europa, com tendência para o excesso de peso e proporção elevada de massa gorda; e doseamentos plasmáticos proteicos e força muscular de preensão compatíveis com ausência de doenças agudas ou crónicas graves. A comparação com os referidos estudos em relação ao risco de dependência, revelou semelhanças na associação entre dependência funcional e idade avançada, morbilidade, alteração do estado mental e isolamento social. Na amostra que estudámos não obtivemos associação entre dependência e o sexo feminino, facto que se verificou no estudo nacional de Almeida et al. e nos estudos multicêntricos europeus, ou o grau de escolaridade, como no estudo francês. Podemos concluir que, com o instrumento de avaliação que utilizámos, foi possível detectar e caracterizar perturbações numa amostra de idosos ambulatórios, a maioria funcionalmente independentes, sem alterações do estado mental, mas apresentando morbilidade activa, tendência para a obesidade, e actividade física ligeira. Nos que apresentaram alterações, estas foram mais frequentes no sexo feminino e nos indivíduos com mais de 74 anos. A escala de funcionalidade desenvolvida foi sensível aos efeitos da idade e permitiu o cálculo do risco de dependência em relação às outras variáveis estudadas, sendo mais marcante a associação com baixa actividade física, presença de queixas de saúde, demência e índice de massa corporal elevado. Consideramos que a metodologia que empregámos poderá contribuir para a avaliação de capacidades, cujo conhecimento sistemático nos idosos se impõe. ------------- ABSTRACT: The main objective of the present work was to evaluate functional capacity and related factors, in a sample of 152 ambulatory elderly, free from acute or serious disease, attending an urban health centre. Each evaluation included an interview, with a questionnaire about functional capacity, morbidity, mental health and social aspects, and the study of body composition. The questions were developed and structured in accordance with international validated scales usually applied in the evaluation of the elderly, whenever there were scales for that purpose. Their items were included as structured pre-coded questions and answers, so that each variable could have its own quotation and be dichotomised. We employed Katz and Lawton scales for basic and instrumental activities of daily living, Grimby scale for physical activity, Hamilton scale for depression, Folstein’s Mini Mental State Examination for cognitive ability and Graffar scale for social class, and questions about walking, health perception, active complaints and social network. The symptoms register was done according to the International Classification of Primary Care - ICPC. The anthropometric exam involved the determination of height and weight, arm, waist, hip and proximal thigh circumferences, and biceps, triceps, subscapular and suprailiac skinfolds. For the body composition calculation we employed equations derived from anthropometric indices, and from measurement of total body bioelectric impedance. We also measured some plasma proteins and handgrip strength. The analysis of results was done by sex and age groups, separating those with 65 to 74 years from those older than 74 years. The effects of sex and age were tested by linear multiple regression, for each variable and its components. Presented "p" values being considered statistically significative if less than 0,05. The results we obtained and their comparison with the studies we choose as reference can be summarised as follows: Mean age of the sample was 74 years and about one third were men. Most of them were independent in gait and functionality, practised some physical activity, rate their health as fair or good, had physical complaints, had not depression or dementia, had some companionship although almost half of them with stigmas of isolation, belonged to low social class, were in the range of overweight, had raised values of fat mass, plasma proteins in accordance with no acute or serious disease, and considerable handgrip strength. The analysis of groups by sex and age revealed that women and the eldest had the greater social isolation and the lowest values of free fat mass, haemoglobin and handgrip strength. Women had the higher dependence in basic activities of daily living, more depression and lower levels of transferrin. The eldest were more dependent in functionality, had greater prevalence of dementia, less physical activity, less raised body mass index and lower levels of albumin. Men alone and the age range of 65 to 74 did not show any prevalence of the worse dichotomised results. There was no relationship between sex or age and instrumental activities of daily living, morbidity or low social class, and unaffected gait or somatomedin-C levels. The comparison of results with multidimensional studies in portuguese and european ambulatory elderly showed that our sample had many similarities with theirs. They were independent in gait and activities of daily living; practiced light physical activity, women indoors and men outdoors; had greater morbidity at locomotor and cardiovascular systems, with small latitude in health evaluation; low prevalence of depression and dementia; social isolation predominantly in older women; and low social class factors, witch is only different from those of north Europe who had higher education levels and professional carriers; biometric characteristics similar to other portuguese and south Europe elders, with tendency for overweight and high proportion of fat mass; and plasma protein levels and handgrip strength in accordance with no acute or chronic serious disease. The comparison to the referred studies in relation to dependency risk, showed similarities in the association of dependency and age, morbidity,altered mental state and social isolation. We did not find association between dependency and sex, as it was found in the portuguese study of Almeida et al. and the european multicentric studies, or the education level, as in the french study. We conclude that, with the evaluation battery we employed, it was possible to detect and characterise alterations in a sample of ambulatory elderly, most of whom were functionally independent and had no alterations in mental state, but had active morbidity, tendency to obesity, and only light physical activity. Those that had some alteration, were more frequently women and the eldest. The functionality scale we developed showed to be sensitive to age effects and suitable for the calculation of risk of dependency, being more important the association with low physical activity, active complaints, dementia and high body mass index. We consider that the methodology we applied can contribute to the evaluation of capabilities that should be systematically sought for in the elderly.

Modelação não-linear do comportamento de vigas-parede

Com a evolução dos recursos computacionais e o desenvolvimento dos modelos constitutivos disponíveis na avaliação do comportamento estrutural de elementos de betão armado, é comum recorrer-se cada vez mais a modelos numéricos que consideram a não-linearidade física e geométrica. As simulações numéricas obtidas com recurso a este tipo de modelos computacionais permitem obter um historial completo do comportamento estrutural, desde o início da aplicação do carregamento, até ao colapso total da estrutura. Contudo, verifica-se que em zonas de descontinuidade geométrica em estruturas de betão armado, a evolução do padrão de fendilhação é um fenómeno relativamente complexo, cuja simulação numérica representa um desafio considerável. O objectivo deste trabalho é o de verificar a aplicabilidade do Método dos Elementos Aplicados no estudo do desenvolvimento do padrão de fendilhação em paredes de betão armado, solicitadas por um carregamento monotónico. Foi analisado um conjunto de dez paredes, todas com uma abertura que provoca uma zona de descontinuidade geométrica e, consequentemente, um padrão de fendilhação mais complexo. Cada parede tem uma pormenorização de armadura diferente, permitindo verificar a fiabilidade do modelo computacional. Os resultados numéricos foram comparados com ensaios experimentais realizados por Bounassar Filho [8], permitindo tirar conclusões sobre as vantagens e as limitações deste método, quando aplicado ao estudo de estruturas de betão armado solicitadas por cargas monotónicas.

Sintonização de controladores difusos através de técnicas de optimização não-linear com restrições

A presente dissertação tem como objetivo principal a implementação de uma arquitetura baseada em algoritmos evolutivos para a sintonização dos parâmetros do controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo) difuso, sendo o conceito de desempenho em malha fechada explicitamente tido em conta. A sintonização dos parâmetros do controlador difuso é realizada tendo em conta um problema de otimização com restrições, em que a função de custo a ser minimizada é descrita em termos do desempenho em malha fechada, com a dinâmica do sistema a ser aproximada por um modelo não linear. Como nas metodologias de otimização existentes, a incorporação de mecanismos de adaptação referentes às funções de pertença não é comum, na presente dissertação é tido em conta, para além da usual sintonização dos fatores de escala, a sintonização dos fatores de escala e funções de pertença em simultâneo. Os resultados experimentais realizados num sistema de referência, visam demonstrar os benefícios de incorporar as funções de pertença no processo de otimização em diferido. É também utilizado um método analítico de segunda ordem como referência, por forma a comparar o desempenho de uma abordagem de otimização global contra uma de otimização local. Finalmente é implementada uma abordagem em-linha, usando o método analítico de segunda ordem, na otimização dos fatores de escala e funções de pertença.

Non emergency patients transport - a mixed integer linear programming

This work presents a model and a heuristic to solve the non-emergency patients transport (NEPT) service issues given the new rules recently established in Portugal. The model follows the same principle of the Team Orienteering Problem by selecting the patients to be included in the routes attending the maximum reduction in costs when compared with individual transportation. This model establishes the best sets of patients to be transported together. The model was implemented in AMPL and a compact formulation was solved using NEOS Server. A heuristic procedure based on iteratively solving problems with one vehicle was presented, and this heuristic provides good results in terms of accuracy and computation time.

Equations for defining the mismatch between students and school furniture: A systematic review

The present study reviews the scientific literature that describes the criteria equations for defining the mismatch between students and school furniture. This mismatch may negatively affect students' performance and comfort. Seventeen studies met the criteria of this review and twenty-one equations to test six furniture dimensions were identified. There was substantial mismatch between the relative heights of chairs and tables. Some systematic errors have been found during the application of the different equations, such as the assumption that students are sitting on chairs with a proper seat height. Only one study considered the cumulative fit. Finally, some equations are based on contradictory criteria and need to develop and evaluate new equations for these cases. Relevance to industry: Ultimately, the present work is a contribution toward improving the evaluation of school furniture and could be used to design ergonomic-oriented classroom furniture.

Mapeamento do uso e cobertura da terra a partir da segmentação e classificação de imagens-fração solo, sombra e vegetação derivadas do modelo linear de mistura aplicado a dados do sensor TM/Landsat5, na região do reservatório de Tucuruí - PA

Técnicas de sensoriamento remoto são fundamentais para o monitoramento das mudanças de uso da terra, principalmente em áreas extensas como a Amazônia. O mapeamento de uso da terra, geralmente é realizado por métodos de classificação manual ou digital pixel a pixel, os quais consomem muito tempo. Este estudo aborda a aplicação do modelo linear de mistura em uma imagem Landsat-TM segmentada para o mapeamento das classes de uso da terra na região do reservatório de Tucuruí-PA para os anos de 1996 e 2001.

Annular flow of viscoelastic fluids: Analytical and numerical solutions

This work provides analytical and numerical solutions for the linear, quadratic and exponential Phan–Thien–Tanner (PTT) viscoelastic models, for axial and helical annular fully-developed flows under no slip and slip boundary conditions, the latter given by the linear and nonlinear Navier slip laws. The rheology of the three PTT model functions is discussed together with the influence of the slip velocity upon the flow velocity and stress fields. For the linear PTT model, full analytical solutions for the inverse problem (unknown velocity) are devised for the linear Navier slip law and two different slip exponents. For the linear PTT model with other values of the slip exponent and for the quadratic PTT model, the polynomial equation for the radial location (β) of the null shear stress must be solved numerically. For both models, the solution of the direct problem is given by an iterative procedure involving three nonlinear equations, one for β, other for the pressure gradient and another for the torque per unit length. For the exponential PTT model we devise a numerical procedure that can easily compute the numerical solution of the pure axial flow problem

Detecção de cicatrizes de áreas queimadas baseada no modelo linear de mistura espectral e imagens índice de vegetação utilizando dados multitemporais do sensor MODIS/TERRA no estado do Mato Grosso, Amazônia brasileira

O objetivo desta pesquisa foi avaliar os dados do sensor MODIS para detectar e monitorar cicatrizes de áreas recém queimadas. Utilizamos imagens da reflectância de superfície do sensor MODIS: produto MOD09 (dia 5 de outubro) e produto MOD13A1 (meses de outubro e novembro). Foi avaliada também uma série temporal de um ano dos índices de vegetação (IV) EVI e NDVI (produto MOD13A1). Uma imagem do sensor ETM+ (dia 5 de outubro) foi utilizada como base para a delimitação dos polígonos amostrais e avaliação dos dados MODIS devido a sua melhor resolução espacial. A metodologia focou na aplicação do modelo linear de mistura espectral nas imagens reflectância para a geração das imagens fração sombra. Análises de regressão foram efetuadas para comparação entre o percentual de sombra derivado da imagem ETM+ e das imagens MODIS. As alterações multitemporais nas imagens IV foram avaliadas com base no teste de Tukey. Os resultados mostraram que a imagem fração sombra gerada a partir do produto MOD09 apresentou um R² = 0,66 (p < 0,01) em relação aos dados ETM+. Para as imagens do produto MOD13A1 não foram identificadas relações significativas. Os IV dentro dos mesmos polígonos apresentaram uma variação sazonal durante o ano. No entanto, não houve uma diminuição significativa dos valores destes índices nos meses onde foram observadas as cicatrizes de áreas recém queimadas. Portanto, o produto MOD09 mostrou-se mais eficiente que o produto MOD13A1 para a detecção de cicatrizes de áreas recém queimadas. A análise multitemporal dos IV sugeriu que não foi possível detectar este mesmo padrão na área de estudo.

Understanding the dispersion of fillers in polymer matrices

Understanding the mixing process of complex composite materials is fundamental in several industrial processes. For instance, the dispersion of fillers in polymer melt matrices is commonly employed to manufacture polymer composites, using a twin-screw extruder. The effectiveness of the filler dispersion depends not only on the complex flow patterns generated, but also on the polymer melt rheological behavior. Therefore, the availability of a numerical tool able to predict mixing, taking into account both fluid and particles phases would be very useful to increase the process insight, and thus provide useful guidelines for its optimization. In this work, a new Eulerian-Lagrangian numerical solver is developed OpenFOAM® computational library, and used to better understand the mechanisms determining the dispersion of fillers in polymer matrices. Particular attention will be given to the effect of the rheological model used to represent the fluid behavior, on the level of dispersion obtained. For the Eulerian phase the averaged volume fraction governing equations (conservation of mass and linear momentum) are used to describe the fluid behavior. In the case of the Lagrangian phase, Newton’s second law of motion is used to compute the particles trajectories and velocity. To study the effect of fluid behavior on the filler dispersion, several systems are modeled considering different fluid types (generalized Newtonian or viscoelastic) and particles volume fraction and size. The results obtained are used to correlate the fluid and particle characteristics on the effectiveness of mixing and morphology obtained.

Biomass equations for forest regrowth in the eastern Amazon using randomized branch sampling

Forest regrowth occupies an extensive and increasing area in the Amazon basin, but accurate assessment of the impact of regrowth on carbon and nutrient cycles has been hampered by a paucity of available allometric equations. We develop pooled and species-specific equations for total aboveground biomass for a study site in the eastern Amazon that had been abandoned for 15 years. Field work was conducted using randomized branch sampling, a rapid technique that has seen little use in tropical forests. High consistency of sample paths in randomized branch sampling, as measured by the standard error of individual paths (14%), suggests the method may provide substantial efficiencies when compared to traditional procedures. The best fitting equations in this study used the traditional form Y=a×DBHb, where Y is biomass, DBH is diameter at breast height, and a and b are both species-specific parameters. Species-specific equations of the form Y=a(BA×H), where Y is biomass, BA is tree basal area, H is tree height, and a is a species-specific parameter, fit almost as well. Comparison with previously published equations indicated errors from -33% to +29% would have occurred using off-site relationships. We also present equations for stemwood, twigs, and foliage as biomass components.

A high order model for piezoelectric rods: an asymptotic approach

Preprint submitted to International Journal of Solids and Structures. ISSN 0020-7683