Multiscale analysis of the mechanical behavior of needle-punched nonwoven fabrics

Los fieltros son una familia de materiales textiles constituidos por una red desordenada de fibras conectadas por medio de enlaces térmicos, químicos o mecánicos. Presentan menor rigidez y resistencia (al igual que un menor coste de procesado) que sus homólogos tejidos, pero mayor deformabilidad y capacidad de absorción de energía. Los fieltros se emplean en diversas aplicaciones en ingeniería tales como aislamiento térmico, geotextiles, láminas ignífugas, filtración y absorción de agua, impacto balístico, etc. En particular, los fieltros punzonados fabricados con fibras de alta resistencia presentan una excelente resistencia frente a impacto balístico, ofreciendo las mismas prestaciones que los materiales tejidos con un tercio de la densidad areal. Sin embargo, se sabe muy poco acerca de los mecanismos de deformación y fallo a nivel microscópico, ni sobre como influyen en las propiedades mecánicas del material. Esta carencia de conocimiento dificulta la optimización del comportamiento mecánico de estos materiales y también limita el desarrollo de modelos constitutivos basados en mecanismos físicos, que puedan ser útiles en el diseño de componentes estructurales. En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio minucioso con el fin de determinar los mecanismos de deformación y las propiedades mecánicas de fieltros punzonados fabricados con fibras de polietileno de ultra alto peso molecular. Los procesos de deformación y disipación de energía se han caracterizado en detalle por medio de una combinación de técnicas experimentales (ensayos mecánicos macroscópicos a velocidades de deformación cuasi-estáticas y dinámicas, impacto balístico, ensayos de extracción de una o múltiples fibras, microscopía óptica, tomografía computarizada de rayos X y difracción de rayos X de gran ángulo) que proporcionan información de los mecanismos dominantes a distintas escalas. Los ensayos mecánicos macroscópicos muestran que el fieltro presenta una resistencia y ductilidad excepcionales. El estado inicial de las fibras es curvado, y la carga se transmite por el fieltro a través de una red aleatoria e isótropa de nudos creada por el proceso de punzonamiento, resultando en la formación de una red activa de fibra. La rotación y el estirado de las fibras activas es seguido por el deslizamiento y extracción de la fibra de los puntos de anclaje mecánico. La mayor parte de la resistencia y la energía disipada es proporcionada por la extracción de las fibras activas de los nudos, y la fractura final tiene lugar como consecuencia del desenredo total de la red en una sección dada donde la deformación macroscópica se localiza. No obstante, aunque la distribución inicial de la orientación de las fibras es isótropa, las propiedades mecánicas resultantes (en términos de rigidez, resistencia y energía absorbida) son muy anisótropas. Los ensayos de extracción de múltiples fibras en diferentes orientaciones muestran que la estructura de los nudos conecta más fibras en la dirección transversal en comparación con la dirección de la máquina. La mejor interconectividad de las fibras a lo largo de la dirección transversal da lugar a una esqueleto activo de fibras más denso, mejorando las propiedades mecánicas. En términos de afinidad, los fieltros deformados a lo largo de la dirección transversal exhiben deformación afín (la deformación macroscópica transfiere directamente a las fibras por el material circundante), mientras que el fieltro deformado a lo largo de la dirección de la máquina presenta deformación no afín, y la mayor parte de la deformación macroscópica no es transmitida a las fibras. A partir de estas observaciones experimentales, se ha desarrollado un modelo constitutivo para fieltros punzonados confinados por enlaces mecánicos. El modelo considera los efectos de la deformación no afín, la conectividad anisótropa inducida durante el punzonamiento, la curvatura y re-orientación de la fibra, así como el desenredo y extracción de la fibra de los nudos. El modelo proporciona la respuesta de un mesodominio del material correspondiente al volumen asociado a un elemento finito, y se divide en dos bloques. El primer bloque representa el comportamiento de la red y establece la relación entre el gradiente de deformación macroscópico y la respuesta microscópica, obtenido a partir de la integración de la respuesta de las fibras en el mesodominio. El segundo bloque describe el comportamiento de la fibra, teniendo en cuenta las características de la deformación de cada familia de fibras en el mesodominio, incluyendo deformación no afín, estiramiento, deslizamiento y extracción. En la medida de lo posible, se ha asignado un significado físico claro a los parámetros del modelo, por lo que se pueden identificar por medio de ensayos independientes. Las simulaciones numéricas basadas en el modelo se adecúan a los resultados experimentales de ensayos cuasi-estáticos y balísticos desde el punto de vista de la respuesta mecánica macroscópica y de los micromecanismos de deformación. Además, suministran información adicional sobre la influencia de las características microstructurales (orientación de la fibra, conectividad de la fibra anisótropa, afinidad, etc) en el comportamiento mecánico de los fieltros punzonados. Nonwoven fabrics are a class of textile material made up of a disordered fiber network linked by either thermal, chemical or mechanical bonds. They present lower stiffness and strength (as well as processing cost) than the woven counterparts but much higher deformability and energy absorption capability and are used in many different engineering applications (including thermal insulation, geotextiles, fireproof layers, filtration and water absorption, ballistic impact, etc). In particular, needle-punched nonwoven fabrics manufactured with high strength fibers present an excellent performance for ballistic protection, providing the same ballistic protection with one third of the areal weight as compared to dry woven fabrics. Nevertheless, very little is known about their deformation and fracture micromechanisms at the microscopic level and how they contribute to the macroscopic mechanical properties. This lack of knowledge hinders the optimization of their mechanical performance and also limits the development of physically-based models of the mechanical behavior that can be used in the design of structural components with these materials. In this thesis, a thorough study was carried out to ascertain the micromechanisms of deformation and the mechanical properties of a needle-punched nonwoven fabric made up by ultra high molecular weight polyethylene fibers. The deformation and energy dissipation processes were characterized in detail by a combination of experimental techniques (macroscopic mechanical tests at quasi-static and high strain rates, ballistic impact, single fiber and multi fiber pull-out tests, optical microscopy, X-ray computed tomography and wide angle X-ray diffraction) that provided information of the dominant mechanisms at different length scales. The macroscopic mechanical tests showed that the nonwoven fabric presented an outstanding strength and energy absorption capacity. It was found that fibers were initially curved and the load was transferred within the fabric through the random and isotropic network of knots created by needlepunching, leading to the formation of an active fiber network. Uncurling and stretching of the active fibers was followed by fiber sliding and pull-out from the entanglement points. Most of the strength and energy dissipation was provided by the extraction of the active fibers from the knots and final fracture occurred by the total disentanglement of the fiber network in a given section at which the macroscopic deformation was localized. However, although the initial fiber orientation distribution was isotropic, the mechanical properties (in terms of stiffness, strength and energy absorption) were highly anisotropic. Pull-out tests of multiple fibers at different orientations showed that structure of the knots connected more fibers in the transverse direction as compared with the machine direction. The better fiber interconnection along the transverse direction led to a denser active fiber skeleton, enhancing the mechanical response. In terms of affinity, fabrics deformed along the transverse direction essentially displayed affine deformation {i.e. the macroscopic strain was directly transferred to the fibers by the surrounding fabric, while fabrics deformed along the machine direction underwent non-affine deformation, and most of the macroscopic strain was not transferred to the fibers. Based on these experimental observations, a constitutive model for the mechanical behavior of the mechanically-entangled nonwoven fiber network was developed. The model accounted for the effects of non-affine deformation, anisotropic connectivity induced by the entanglement points, fiber uncurling and re-orientation as well as fiber disentanglement and pull-out from the knots. The model provided the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the volume associated to a finite element and is divided in two blocks. The first one was the network model which established the relationship between the macroscopic deformation gradient and the microscopic response obtained by integrating the response of the fibers in the mesodomain. The second one was the fiber model, which took into account the deformation features of each set of fibers in the mesodomain, including non-affinity, uncurling, pull-out and disentanglement. As far as possible, a clear physical meaning is given to the model parameters, so they can be identified by means of independent tests. The numerical simulations based on the model were in very good agreement with the experimental results of in-plane and ballistic mechanical response of the fabrics in terms of the macroscopic mechanical response and of the micromechanisms of deformation. In addition, it provided additional information about the influence of the microstructural features (fiber orientation, anisotropic fiber connectivity, affinity) on the mechanical performance of mechanically-entangled nonwoven fabrics.

Um modelo multiescala concorrente para representar o processo de fissuração do concreto.

Este trabalho propõe uma técnica de modelagem multiescala concorrente do concreto considerando duas escalas distintas: a mesoescala, onde o concreto é modelado como um material heterogêneo, e a macroescala, na qual o concreto é tratado como um material homogêneo. A heterogeneidade da estrutura mesoscópica do concreto é idealizada considerando três fases distintas, compostas pelos agregados graúdos e argamassa (matriz), estes considerados materiais homogêneos, e zona de transição interfacial (ZTI), tratada como a parte mais fraca entre as três fases. O agregado graúdo é gerado a partir de uma curva granulométrica e posicionado na matriz de forma aleatória. Seu comportamento mecânico é descrito por um modelo constitutivo elástico-linear, devido a sua maior resistência quando comparado com as outras duas fases do concreto. Elementos finitos contínuos com alta relação de aspecto em conjunto com um modelo constitutivo de dano são usados para representar o comportamento não linear do concreto, decorrente da iniciação de fissuras na ZTI e posterior propagação para a matriz, dando lugar à formação de macrofissuras. Os elementos finitos de interface com alta relação de aspecto são inseridos entre todos os elementos regulares da matriz e entre os da matriz e agregados, representando a ZTI, tornando-se potenciais caminhos de propagação de fissuras. No estado limite, quando a espessura do elemento de interface tende a zero (h ?0) e, consequentemente, a relação de aspecto tende a infinito, estes elementos apresentam a mesma cinemática da aproximação contínua de descontinuidades fortes (ACDF), sendo apropriados para representar a formação de descontinuidades associados a fissuras, similar aos modelos coesivos. Um modelo de dano à tração é proposto para representar o comportamento mecânico não linear das interfaces, associado à formação de fissuras, ou até mesmo ao eventual fechamento destas. A fim de contornar os problemas causados pela malha de elementos finitos de transição entre as malhas da macro e da mesoescala, que, em geral, apresentam diferenças expressivas 5 de refinamento, utiliza-se uma técnica recente de acoplamento de malhas não conformes. Esta técnica é baseada na definição de elementos finitos de acoplamento (EFAs), os quais são capazes de estabelecer a continuidade de deslocamento entre malhas geradas de forma completamente independentes, sem aumentar a quantidade total de graus de liberdade do problema, podendo ser utilizados tanto para acoplar malhas não sobrepostas quanto sobrepostas. Para tornar possível a análise em multiescala em casos nos quais a região de localização de deformações não pode ser definida a priori, propõe-se uma técnica multiescala adaptativa. Nesta abordagem, usa-se a distribuição de tensões da escala macroscópica como um indicador para alterar a modelagem das regiões críticas, substituindo-se a macroescala pela mesoescala durante a análise. Consequentemente, a malha macroscópica é automaticamente substituída por uma malha mesoscópica, onde o comportamento não linear está na iminência de ocorrer. Testes numéricos são desenvolvidos para mostrar a capacidade do modelo proposto de representar o processo de iniciação e propagação de fissuras na região tracionada do concreto. Os resultados numéricos são comparados com os resultados experimentais ou com aqueles obtidos através da simulação direta em mesoescala (SDM).

Desenvolvimento da célula base de microestruturas periódicas de compósitos sob otimização topológica

This thesis develops a new technique for composite microstructures projects by the Topology Optimization process, in order to maximize rigidity, making use of Deformation Energy Method and using a refining scheme h-adaptative to obtain a better defining the topological contours of the microstructure. This is done by distributing materials optimally in a region of pre-established project named as Cell Base. In this paper, the Finite Element Method is used to describe the field and for government equation solution. The mesh is refined iteratively refining so that the Finite Element Mesh is made on all the elements which represent solid materials, and all empty elements containing at least one node in a solid material region. The Finite Element Method chosen for the model is the linear triangular three nodes. As for the resolution of the nonlinear programming problem with constraints we were used Augmented Lagrangian method, and a minimization algorithm based on the direction of the Quasi-Newton type and Armijo-Wolfe conditions assisting in the lowering process. The Cell Base that represents the composite is found from the equivalence between a fictional material and a preescribe material, distributed optimally in the project area. The use of the strain energy method is justified for providing a lower computational cost due to a simpler formulation than traditional homogenization method. The results are presented prescription with change, in displacement with change, in volume restriction and from various initial values of relative densities.

Avaliação de estrutura de bambu como elemento construtivo para casa de vegetação

The use of technology to protect and produce vegetables and ornamental plants was developed over several adaptation phases that supported the demand for quality and amount of products. These developments also reduced production costs and climate damage to the crops. Many of these adaptations were carried out by farmers on their own initiative, using different materials and devices to solve their problems. This study was carried out at Agricultural Engineering College - Campinas University/UNICAMP, from December 2002 to January 2003, with the objective of evaluating the deformations of the constructive system of bamboo structure for greenhouses, submitted to different spacing among columns, and different vertical strains. It was tested the use of beams and columns built with bamboo stems from the specie Bambusa tuldoides Munro. The beams and columns were tied together with plastic spacing parts, specially designed to facilitate and standardize the construction of the building, providing more resistance and stability. Three column spaces (2.0, 2.5 and 3.0 m) were evaluated under different load strains. The best result was obtained with a spacing of 2.5 m.

Promoção da saúde: elemento instituinte?

O artigo inclui na discussão sobre os resultados da promoção da saúde um argumento de natureza epistemológica, levando em consideração o contexto contemporâneo de mudanças econômicas, políticas e culturais do qual ela é parte e expressão. Destacam-se, por um lado, as suspeitas que recaem sobre o projeto da Modernidade, sejam elas decorrentes do crescimento das incertezas ou da irrealização de promessas e, por outro lado, as tentativas de equacionamento do binômio determinação/autonomia, como questões sensíveis a uma ruptura dos modos de conhecer na contemporaneidade. Propõe-se considerar a dinâmica social e abordá-la como a união e a tensão da história feita e da história se fazendo, para melhor compreender o alcance e os resultados da promoção da saúde. A conclusão é que a promoção da saúde deve continuar buscando o desenvolvimento de ações cada vez mais efetivas, mas deve fazê-lo sem abdicar da possibilidade de manter-se próxima da energia social livre e em ebulição, que caracteriza o elemento instituinte de uma produção histórica.

Metodologia de representação identitária do patrimônio territorial : a água como elemento de identidade em Linhares/ES

Apresenta primeiramente o conceito de desenvolvimento local autossustentável dentro do enfoque territorialista. Mostra também o conceito de patrimônio territorial e o de representação identitária do território como instrumento de preservação do patrimônio, neste caso o territorial. O enfoque territorialista é adotado como base teórica para a construção do roteiro metodológico de representação identitária do território com vistas à preservação do patrimônio tendo como objeto empírico o município de Linhares/ES, que passa por um processo de intenso desenvolvimento de seu território e que apresenta um rico patrimônio, no que diz respeito aos recursos naturais, em especial o hídrico. Nos últimos anos tem-se registrado um crescimento forte dos instrumentos disponíveis para a produção de imagens do território, neste caso o uso da tecnologia de Sistemas de Informações Geográficas. Por meio deste recurso, adotado na Escola Territorialista Italiana, representa-se o patrimônio que constitui o território municipal, tendo como produtos finais o Atlas do patrimônio territorial no município de Linhares/ES e o Roteiro metodológico de representação identitária do patrimônio territorial.

B-leraning: elemento institucional e operacional de desenvolvimento educativo uma instituição de ensino superior

Na sua origem o Projecto de Apoio OnLine do ISCAP (PAOL) tinha como principal fonte impulsionadora a necessidade emergente de desenvolver soluções sustentadas de integração das tecnologias como apoio às aulas presenciais ministradas na instituição. Este elemento impulsionador ainda hoje se mantém como uma das principais alavancas, agora alargada transversalmente nas áreas de conhecimento da instituição e na inclusão das competências didáctico-pedagógicas. Com o desenvolvimento do projecto, ganharam importância crescente as fontes próprias de criação de conhecimento e de soluções técnicas, capazes de responder aos anseios da comunidade escolar. Este artigo pretende enquadrar e explicitar, através da mostra de casos práticos e de uma análise dos resultados de uso da plataforma Moodle, o percurso seguido pelo projecto, a estratégia adoptada e as acções implementadas. Abstract Initially ISCAP’s Online Support Project (PAOL), was instigated by the emergent necessity to develop sustainable solutions in order to integrate technologies as a means to support the institution’s traditional in-class lessons. This propulsive element, still valid today as one of the main levers, has now transversally extended into the various knowledge areas within the institution and the inclusion of pedagogic-didactical competences. With the development of the project, the institution’s own sources of knowledge creation and technical solutions capable of answering the needs of the institutions’ community became ever more crucial. This article seeks to frame and explain, by showing practical cases and the analysis of the results as to the use of the learning platform Moodle, the path taken by the project, the strategy adopted and the actions implemented.

Reputação: um elemento diferenciador e protector face a crises organizacionais

Propõe-se, neste trabalho de investigação, explorar as disciplinas de Gestão de Reputação e de Gestão de Comunicação de Crise, de modo a enquadrar a reputação como um activo de valor, que protege uma organização quando esta enfrenta uma crise. O projecto de dissertação é dividido em duas partes. Uma revisão bibliográfica que constitui um campo teórico de base e um estudo de caso, sobre a crise financeira de 2008, que procura explorar o efeito da reputação num contexto real de crise. Este trabalho sugere, ao nível teórico, que a reputação pode funcionar como um escudo protector de uma organização, quando esta enfrenta uma crise, e suporta esta mesma ideia empiricamente, através da investigação realizada.

A perspetiva dos terapeutas ocupacionais sobre os seu trabalho enquanto elemento da equipa escolar

Atualmente, as escolas regem o seu funcionamento de acordo com o paradigma inclusivo, uma vez que a legislação em vigor assim o indica. A mudança entre o paradigma segregador (em que a crianças com problemáticas diversas eram ensinadas separadamente) para o paradigma inclusivo (em que todas as crianças deveriam usufruir de uma educação igualitária) surgiu decorrente das progressivas mudanças a nível social que vieram encorajar a aceitação da diferença e o reconhecimento da diversidade (Correia M. , 2008). Consequentemente, os serviços e apoios prestados pelas equipas escolares também sofreram alterações, passando a considerar cada criança como um individuo com necessidades únicas, às quais o contexto deve proporcionar um ensino igualitário e de qualidade (Pape, Ryba, & Case-Smith, 2004; Jenkinson, Hyde, & Ahmad, 2008). Nestas equipas escolares, encontra-se presente como elemento ativo, o terapeuta ocupacional. Assim, o presente estudo pretende conhecer a perspetiva dos terapeutas ocupacionais a trabalhar nas equipas escolares em contexto inclusivo quanto às experiências de colaboração com a equipa que intervém com a criança. Esteve na sua base uma metodologia qualitativa, em que amostra é constituída por cinco terapeutas ocupacionais, a trabalhar em escolas e jardins-de-infância contemplando a zona norte do país. Foi utilizado o método de amostragem estratégica, de forma a contemplar várias realidades. Como instrumento de recolha de dados foi utilizada a entrevista semiestruturada, com posterior análise de conteúdo para interpretação e discussão dos dados obtidos. Os principais resultados indicam que os terapeutas descrevem o seu papel com base na passagem de estratégias e promoção da autonomia. Reconhecem, ainda, vários benefícios decorrentes do trabalho em equipa de forma colaborativa. Contudo, relatam as experiências de colaboração, maioritariamente pela negativa, tendo por base as barreiras e desafios que encontram para efetivar este processo. Deixam, também, sugestões de aspetos a melhorar, embora não contemplem todas as barreiras/desafios sentidos na colaboração com a restante equipa escolar.

A canção como elemento facilitador no desenvolvimento da competência comunicativa do inglês e do espanhol

Mestrado em Ensino de Inglês e Francês ou Espanhol no Ensino Básico

A imagem como elemento para a motivação e escrita criativa

Mestrado em Ensino de Inglês e Francês ou Espanhol no Ensino Básico

A arte contemporânea enquanto elemento facilitador da auto valorização dos jovens perante as suas criações artísticas

Dissertação apresentada à Escola Superior de Educação de Lisboa para obtenção de grau de mestre em Educação Artística, na Especialização de Artes Plásticas na Educação