Phase behavior of shape-changing spheroids

We introduce a simple model for a biaxial nematic liquid crystal. This consists of hard spheroids that can switch shape between prolate (rodlike) and oblate (platelike) subject to an energy penalty Δε. The spheroids are approximated as hard Gaussian overlap particles and are treated at the level of Onsager's second-virial description. We use both bifurcation analysis and a numerical minimization of the free energy to show that, for additive particle shapes, (i) there is no stable biaxial phase even for Δε=0 (although there is a metastable biaxial phase in the same density range as the stable uniaxial phase) and (ii) the isotropic-to-nematic transition is into either one of two degenerate uniaxial phases, rod rich or plate rich. We confirm that even a small amount of shape nonadditivity may stabilize the biaxial nematic phase.

Multiobjective optimization of viscoelastic laminated sandwich structures using the Direct MultiSearch method

A multiobjective approach for optimization of passive damping for vibration reduction in sandwich structures is presented in this paper. Constrained optimization is conducted for maximization of modal loss factors and minimization of weight of sandwich beams and plates with elastic laminated constraining layers and a viscoelastic core, with layer thickness and material and laminate layer ply orientation angles as design variables. The problem is solved using the Direct MultiSearch (DMS) solver for derivative-free multiobjective optimization and solutions are compared with alternative ones obtained using genetic algorithms.

Estudo Paramétrico e desenvolvimento de folha de cálculo para optimização de tabuleiros pré-fabricados de Obras de Arte Correntes

Mestrado em Engenharia Civil - Estruturas

Advanced image processing techniques for detection and quantification of drusen

Dissertation presented to obtain the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering, speciality on Perceptional Systems, by the Universidade Nova de Lisboa, Faculty of Sciences and Technology

Análise do comportamento dinâmico de uma plataforma sísmica e de um pórtico em betão armado e a sua evolução com o dano acumulado

Trabalho de Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas

Dimensionamento de soluções de vigas pré-esforçadas por pós-tensão, pré-fabricadas in situ para tabuleiros de pontes e viadutos

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo Estruturas

Projeto de uma ponte atirantada rodoferroviária sobre o rio Lima, Viana do Castelo

Trabalho académico com o objetivo do autor desenvolver um estudo prévio e um projeto de uma travessia sobre o rio Lima, na cidade de Viana do Castelo constituída por uma ponte de tirantes rodoferroviária. O projeto académico visa, também, desenvolver e compreender: os conceitos básicos, as metodologias de conceção, e o funcionamento de estruturas desse género. O motivo principal da escolha do tema é a necessidade de uma alternativa à ponte Eiffel em Viana do Castelo, e juntando o facto de em Portugal não existir nenhuma obra de arte de tirantes rodoferroviária até ao presente, seria interessante estudar e projetar uma estrutura rodoferroviária de tirantes. Das diversas possibilidades de sistemas estruturais estudados, adotou-se uma ponte que acomodará 4 vias rodoviárias e 2 vias ferroviárias, com um desenvolvimento total de 660 metros, constituída por dois vãos laterais com 165 metros cada um, e com um vão central de 330 metros. A obra de arte será em semi-leque com dois planos de tirantes, ancorados a duas torres de betão em Y invertido de altura aproximadamente de 110 metros. O tabuleiro será duplo misto aço-betão, constituído por duas vigas trianguladas do tipo Warren, e por carlingas, afastadas entre si de 15 metros com secções tubulares metálicas de espessura variável. As carlingas ao nível superior suportam a laje de betão, que constitui a rodovia, e inferiormente, suportam outra laje de betão para a parte ferroviária. O trabalho inicia-se com o enquadramento conceptual geral da envolvente da obra de arte, seguidamente com apresentação da evolução histórica ao longo do tempo das pontes de tirantes, e à apresentação de algumas pontes rodoferroviárias de tirantes. É realizada uma análise preliminar, onde se estudam as restrições, as condicionantes, o local de implantação, e o sistema da configuração geométrica a adotar na conceção estrutural. São descritos todos os tipos de materiais, equipamentos a utilizar, bem como as suas características mecânicas necessárias para o cálculo estrutural. A quantificação das ações e das combinações de cálculo efetuaram-se de acordo com as normas em vigor nacionais e europeias, designadamente os Eurocódigos das várias especialidades e o Regulamento de Segurança e Ações para Estruturas de Edifícios e Pontes. Efetuou-se um pré-dimensionamento e uma otimização de vários sistemas estruturais possíveis de todos os elementos estruturais, tendo em conta variáveis de estudo como a economia e a resistência estrutural das secções, por forma a chegar à solução final. A estrutura foi discretizada e analisada num modelo estático tridimensional num programa de cálculo automático. A análise de resultados foi efetuada longitudinalmente para a verificação dos Estados Limites Últimos e Estados Limites de Utilização dos elementos estruturais que constituem a ponte. Foi ainda efetuada uma estimativa orçamental da ponte no rio Lima na cidade de Viana do Castelo.

Robustness of timber structures in seismic areas

Some of the properties sought in seismic design of buildings are also considered fundamental to guarantee structural robustness. Moreover, some key concepts are common to both seismic and robustness design. In fact, both analyses consider events with a very small probability of occurrence, and consequently, a significant level of damage is admissible. As very rare events,in both cases, the actions are extremely hard to quantify. The acceptance of limited damage requires a system based analysis of structures, rather than an element by element methodology, as employed for other load cases. As for robustness analysis, in seismic design the main objective is to guarantee that the structure survives an earthquake, without extensive damage. In the case of seismic design, this is achieved by guaranteeing the dissipation of energy through plastic hinges distributed in the structure. For this to be possible, some key properties must be assured, in particular ductility and redundancy. The same properties could be fundamental in robustness design, as a structure can only sustain significant damage if capable of distributing stresses to parts of the structure unaffected by the triggering event. Timber is often used for primary load‐bearing elements in single storey long‐span structures for public buildings and arenas, where severe consequences can be expected if one or more of the primary load bearing elements fail. The structural system used for these structures consists of main frames, secondary elements and bracing elements. The main frame, composed by columns and beams, can be seen as key elements in the system and should be designed with high safety against failure and under strict quality control. The main frames may sometimes be designed with moment resisting joints between columns and beams. Scenarios, where one or more of these key elements, fail should be considered at least for high consequence buildings. Two alternative strategies may be applied: isolation of collapsing sections and, provision of alternate load paths [1]. The first one is relatively straightforward to provide by deliberately designing the secondary structural system less strong and stiff. Alternatively, the secondary structural system and the bracing system can be design so that loss of capacity in the main frame does not lead to the collapse. A case study has been selected aiming to assess the consequences of these two different strategies, in particular, under seismic loads.

Modelação e reforço de vigas de betão armado com laminados de fibra de carbono

Com o atual estado da construção em Portugal, a reabilitação urbana é uma realidade. Com muitos dos edifícios a necessitarem de reforço, procurou-se abordar o comportamento real das estruturas, indo além da típica análise linear elástica. Desta forma, pretendeu-se aumentar o conhecimento acerca da modelação numérica não-linear de estruturas de betão armado, expondo modelos de cálculo relativamente simples e de fácil compreensão, com o objetivo de servir de base a uma avaliação da capacidade de carga de um elemento estrutural. O modelo de cálculo foi validado com recurso ao trabalho experimental de Bresler e Scordelis (1963). Analisou-se o comportamento até à rotura de três vigas ensaiadas à flexão. Posteriormente, foi realizado um estudo paramétrico de algumas propriedades do betão com vista à discussão do melhor de ajuste. Em seguida, já no campo do reforço estrutural, simulou-se numericamente vigas reforçadas com CFRP, com recurso à técnica EBR e NSM. Comparam-se os resultados numéricos com os ensaios experimentais de Cruz et al. (2011a). Avaliou-se ainda o desempenho de soluções alternativas com variações na área e comprimento dos laminados. Para finalizar, foi desenvolvida uma campanha experimental com diferentes áreas de reforço. Conceberam-se e executaram-se três vigas de betão armado sobre as quais se instalaram laminados de CFRP. Os resultados experimentais são apresentados e discutidos à luz dos resultados do respetivo modelo numérico. No cômputo geral, o presente trabalho permitiu aferir a validade de modelos não-lineares na previsão do comportamento efetivo das estruturas até à rotura. Assinala-se a concordância em vários resultados experimentais analisados. Ficaram também patentes os principais fenómenos ligados ao reforço de vigas com CFRP, focados nos respetivos modelos de cálculo e nos resultados experimentais apresentados.

Desenvolvimento de ferramentas BIM no âmbito do cálculo estrutural em situação de incêndio

Este trabalho insere-se no âmbito de um estágio curricular realizado no gabinete de projetos SE2P, durante o qual foram desenvolvidas ferramentas de cálculo estrutural em situação de incêndio, integradas numa metodologia de trabalho que segue os princípios inerentes à tecnologia BIM (Building Information Modeling). Em particular foi implementado um procedimento de análise ao fogo segundo os modelos simplificados prescritos pelos Eurocódigos. Estes modelos garantem a segurança estrutural, permitindo, de forma rápida e eficiente, a determinação das necessidades de proteção passiva para diferentes cenários, tendo em vista a obtenção da solução mais económica. Esta dissertação, para além da apresentação do trabalho desenvolvido em regime de estágio curricular, objetivou dotar o leitor de um documento que introduza os principais conceitos relativos ao cálculo estrutural em situação de incêndio, indicando as várias opções de análise e respetivas vantagens e desvantagens, ajudando a definir a sua adequabilidade ao projeto em estudo. Neste contexto é efetuada uma introdução geral ao fenómeno do fogo e às medidas mais correntes de proteção, indicando-se os documentos normativos aplicáveis tanto ao cálculo estrutural como aos materiais de proteção. É também abordada a interação entre as várias normas que devem ser consultadas quando é efetuada uma análise ao fogo, e quais se aplicam a cada fase da análise. Efetua-se uma clara distinção entre a análise do comportamento térmico e mecânico, indicando-se as principais propriedades dos materiais em função do tipo de análise e a forma como são afetadas pela temperatura. No campo da análise do comportamento térmico faz-se essencialmente referência aos modelos de cálculo simplificados do desenvolvimento da temperatura em elementos metálicos e vigas mistas, com e sem proteção passiva. No que concerne ao campo da análise do comportamento mecânico são descritos os modelos de cálculo simplificados para a verificação da segurança estrutural atendendo às ações e combinações em situação de incêndio e à perda de resistência a temperaturas elevadas. Relativamente ao trabalho desenvolvido na SE2P, relativo ao desenvolvimento de ferramentas de cálculo e a sua implementação na análise ao fogo, realiza-se uma descrição detalhada de todo o processo, e da forma como se integra no conceito BIM, utilizando informações provenientes da modelação das estruturas e introduzindo novos dados ao modelo. Realizou-se também a aplicação de todo o procedimento de análise e das ferramentas desenvolvidas, a um caso de estudo baseado num edifício de habitação. Este caso de estudo serviu também para criar cenários de otimização utilizando-se referências de preços de mercado para o aço, sua transformação em fábrica e sistemas de proteção passiva, demonstrando-se a dificuldade em encontrar caminhos rápidos e diretos de decisão no processo de otimização.

Dimensionamento de Uma Cobertura em Elementos Estruturais de Aço Enformados a Frio

O presente relatório versa sobre a análise e dimensionamento de estruturas de aço enformadas a frio. Devido a serem estruturas de elevada esbelteza, frequentemente denominadas “estruturas de aço leve”, apresentam fenómenos de instabilidade tanto a nível local como global, sendo da perspetiva regulamentar abrangidas pelo Eurocódigo 3, nomeadamente pelas Partes 1-1, 1-3 e 1-5. A Parte 1-3 do Eurocódigo 3 diz respeito às regras suplementares de elementos de aço enformados a frio, na qual estão presentes as regras de dimensionamento, bem como as verificações de segurança que deverão ser aplicadas. Nesta, é possível ainda “fazer a ponte” com a Parte 1-1 do Eurocódigo 3, respetiva às regras gerais de projeto de estruturas de aço e com a Parte 1-5 do Eurocódigo 3 relativa a elementos estruturais constituídos por placas. Inicialmente, será realizado um estado da arte, onde será efetuado um enquadramento histórico, apresentando o processo de fabrico destes elementos e o tipo de elementos estruturais originados, concluindo-se com as vantagens/desvantagens dos perfis em aço enformados a frio. Os conceitos teóricos de estabilidade estrutural, os tipos de instabilidade mais comuns nestes elementos, bem como os tipos de análise destes fenómenos farão a ponte com o capítulo que se segue. Relativamente ao dimensionamento destes elementos, será dado enfâse às metodologias preconizadas pelo Eurocódigo 3, Parte 1-3. Este capítulo incidirá, entre outos, nas propriedades das secções transversais, na determinação da resistência destas, onde se contabilizará os efeitos das instabilidades locais de placa e distorcionais, na instabilidade global dos perfis e nas ligações entre os mesmos. Será analisada, posteriormente, a abordagem apresentada pela ECCS relativamente ao dimensionamento de madres travadas por painéis de cobertura. Neste capítulo será apresentada a metodologia para o dimensionamento de vigas com restrição à torção e à translação, bem como a resistência da secção transversal da madre e do seu banzo livre à encurvadura. Finalmente, e ao encontro do que foi proposto pela empresa CCAD-Serviços de Engenharia, Lda, efetuar-se-á o dimensionamento de uma cobertura de um edifício de distribuição, cobertura esta constituída por asnas treliçadas e madres simples. Neste dimensionamento foram consideradas as ações segundo o Regulamento de Segurança e Ações Para Estruturas de Edifícios e Pontes e o Eurocódigo 1, Parte 1-1 que diz respeito às Ações Gerais em Estruturas e Parte 1-4 respeitante às Ações do vento.

Adaptação do programa PAC-Pórticos ao EC2 e sua integração com o conceito BIM

Atualmente existe uma grande variedade de programas de cálculo automático de estruturas de betão armado disponíveis no mercado, pois estes, cada vez mais, são inerentes ao desenvolvimento de cada projeto de estruturas. O PAC-Pórticos foi um dos primeiros a chegar ao mercado nacional surgindo no início da década de noventa. Foi totalmente desenvolvido em Portugal, tendo tido bastante sucesso nas suas vendas a nível nacional. O PAC-Pórticos não está preparado para operar diretamente nos mais recentes sistemas operativos nem foi programado para dimensionar os diversos elementos de betão armado seguindo os termos das normas mais recentes (Eurocódigos). O tema do presente trabalho vai de encontro aos atuais problemas do programa, assim sendo, definiu-se como primeiro objetivo a adaptação do PAC-Pórticos à regulamentação europeia para o betão armado. Numa 1ª fase, para a adaptação do PAC-Pórticos aos novos códigos, foi necessário estudar o programa em si, perceber o seu funcionamento e posteriormente realizar uma comparação entre a legislação para qual o software está programado, o Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado (ainda em vigor) e a Norma Europeia correspondente a EN 1992-1-1 (Eurocódigo 2). Seguidamente, procedeu-se ao estudo e adaptação de todas as sub-rotinas de cálculo do PAC-Pórticos para o dimensionamento de vigas e pilares, tendo finalmente sido testado o novo código e comprovados os resultados obtidos com o mesmo. Na realização do presente trabalho, não foi ignorada a importância crescente da metodologia BIM que, nos dias de hoje, tende a ser implementada nos programas de cálculo de engenharia civil. Neste âmbito, o segundo objetivo é o de conseguir visualizar uma solução obtida do PAC-Pórticos numa qualquer ferramenta tridimensional BIM. Para tal, foram ponderadas várias hipóteses, mas optou-se por criar dois plug-in para o programa AutoCAD da Autodesk. O primeiro destes plug-in contempla o desenho das vigas e o segundo para os pilares, ambos em 3D e elaborados de forma automática.

Projeto de estruturas do edifício administrativo de um polo logístico em Viana-Angola

O objetivo deste trabalho consiste em efetuar o dimensionamento estrutural de um edifício em betão armado, contemplando as diferentes fases, desde a conceção inicial, com a definição do modelo estrutural e escolha criteriosa dos elementos e soluções constituintes, até à fase final de dimensionamento, considerando para além das cargas gravíticas, a ação do vento e a ação sísmica. No âmbito deste trabalho considerou-se o dimensionamento de elementos estruturais nomeadamente, sapatas, paredes, pilares, vigas e lajes, com a verificação de segurança à flexão simples, flexão composta, esforço transverso e punçoamento, consoante a necessidade de cada elemento. Para tal, foi desenvolvido uma folha de cálculo automático (Macro) que permite a verificação da capacidade resistente de secções, à flexão simples e ao esforço transverso, quer em elementos com ou sem armadura de esforço transverso. Os esforços atuantes que estiveram na origem das verificações estruturais foram calculados com base na aplicação de um programa tridimensional de elementos finitos, nomeadamente o programa de cálculo ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS. Os Critérios Gerais de Dimensionamento considerados, com base na regulamentação em vigor em Portugal – RSA, REBAP e Eurocódigos, bem como as Hipóteses de Cálculo consideradas na verificação aos estados limites últimos dos elementos estruturais são detalhadamente enunciados ao longo do trabalho. Os desenhos de elementos estruturais dimensionados, bem como os desenhos de dimensionamento do edifício encontram-se em Anexo.

Monte Carlo simulations for dosimetric verification in photon and electron beam radiotherapy

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Biomédica

Dimensionamento de lajes aligeiradas betonadas "in situ"

A conjuntura económica da construção não se encontra numa fase de prosperidade, existindo a necessidade de criar soluções construtivas que permitam a redução de custos dos materiais a nível de obra. As lajes de betão armado, devido à sua grande área de implantação, possuem uma parcela importante no orçamento final de qualquer obra de edifícios correntes. Sabendo das possibilidades de aligeiramento de lajes, torna-se necessária a realização de um estudo pormenorizado e comparativo entre soluções de aligeiramento. O desenvolvimento deste relatório reflete todo o trabalho efetuado durante a realização de um estágio curricular desenvolvido na empresa FercaNorte – Estruturas, Lajes e Cofragens, Lda. e foca-se num dimensionamento e estudo comparativo de soluções de lajes fungiformes aligeiradas, aplicadas a dois casos de estudo e também num dimensionamento e estudo comparativo de soluções de lajes aligeiradas unidirecionais mas apenas aplicadas a um caso de estudo. No primeiro caso de estudo, laje fungiforme com um vão de 6 metros nas duas direções, são dimensionadas e comparadas quatro soluções: laje fungiforme maciça; laje fungiforme aligeirada com blocos elipsoides perdidos dispostos de forma ortogonal e envolvidos totalmente por betão; laje fungiforme aligeirada com blocos elipsoides perdidos dispostos em formato de favo de mel e envolvidos totalmente por betão; e laje fungiforme nervurada com moldes recuperáveis. No segundo caso de estudo, laje fungiforme com um vão de 7,04 metros nas duas direções, são dimensionadas e comparadas cinco soluções: laje fungiforme maciça, laje fungiforme aligeirada com blocos cúbicos perdidos dispostos de forma ortogonal e envolvidos totalmente por betão; laje fungiforme aligeirada, com blocos elipsoides perdidos dispostos de forma ortogonal e envolvidos totalmente por betão; laje fungiforme aligeirada com blocos elipsoides perdidos dispostos em formato de favo de mel e envolvidos totalmente por betão; e laje fungiforme nervurada com moldes recuperáveis. No terceiro caso de estudo, laje unidirecional com um vão de 8 metros apoiada em vigas com vão de 5 metros, são dimensionadas e comparadas três soluções: laje maciça; laje aligeirada com perfis tubulares com secção transversal reta oval; e laje nervurada com moldes recuperáveis. No final é apresentada uma estimativa orçamental para cada solução analisada nos três casos de estudo abordados.