Mathematical and numerical methods for inverse problems using fundamental solutions techniques

Fundação para a Ciência e a Tecnologia - SFRH/BD/27914/2006

Análise não linear do comportamento dinâmico de passadiços pedonais pré-fabricados

Os terramotos têm sido considerados uma das forças mais destrutivas e violentas da natureza, causando grandes tragédias e perdas económicas significativas. O objetivo principal do presente estudo é avaliar o comportamento global e local de três pontes pedonais, pré-fabricadas, durante a ação sísmica regulamentar. Através destas análises, pretende-se avaliar o risco de colapso das estruturas por “descalçamento” do tabuleiro e, caso necessário, propor soluções para evitar este fenómeno e melhorar o desempenho sísmico dos passadiços. No domínio de pontes, o “descalçamento dos apoios” é um tipo de rotura que pode ocorrer em estruturas com tramos simplesmente apoiados, onde os problemas surgem geralmente na interface de ligação tabuleiro-pilar, podendo conduzir ao derrubamento do primeiro. Este tipo de ligação é geralmente constituído por um conjunto de varões de aço – ferrolhos, chumbados verticalmente ao capitel do pilar e que atravessam placas de neoprene, ficando instalados no negativo das vigas. A selagem dos varões é normalmente realizada com argamassa de alta resistência. Os problemas que surgem neste tipo de ligação estão associados, a maior parte das vezes, à falta de manutenção e ao insuficiente comprimento de entrega do tabuleiro na zona dos aparelhos de apoio. A simulação do comportamento da estrutura durante as várias fases construtivas e aplicação de cargas, até ao colapso total, implica a utilização de uma ferramenta adequada. A modelação numérica foi efetuada com recurso ao programa de cálculo não-linear de estruturas Extreme Loading for Structures, baseado no Método dos Elementos Aplicados. O método considera os efeitos da não-linearidade física e geométrica, permitindo analisar o comportamento das estruturas durante a fase elástica e inelástica, passando pela cedência das armaduras, abertura e propagação de fendas até à separação dos elementos. Com base neste trabalho, foi possível verificar alterações significativas na resposta sísmica da estrutura, nomeadamente devido à eventual degradação dos ferrolhos.

Soldadura por fricção linear assistida por corrente eléctrica das ligas AA 6082-T6 a Ti6Al4V

A ligação dissimilar de ligas de alumínio a ligas de titânio tem elevado potencial para aplicações nas indústrias aeroespacial, automóvel e naval, devido à sua baixa razão peso/resistência mecânica. Contudo, soldar ligas de alumínio a ligas de titânio apresenta-se como um grande desafio, principalmente devido à formação de fases intermetálicas frágeis que têm um efeito negativo nas propriedades mecânicas da junta. Neste estudo, foram realizadas ligações dissimilares das ligas AA6082-T6 a Ti6Al4V, por Fricção Linear assistida por Corrente Eléctrica. Para a utilização de corrente eléctrica na Soldadura por Fricção Linear foram desenvolvidas, produzidas e testadas duas novas ferramentas. A estrutura da ligação foi analisada, por microscopia óptica e electrónica de varrimento. Controlando os parâmetros de soldadura foi possível obter soldaduras topo a topo e sobrepostas com um bom aspecto superficial e com continuidade metálica na interface. Nas ligações topo-a-topo observaram-se defeitos na raiz do cordão. As estruturas na zona soldada dependem fortemente da posição do pino em relação à interface. O uso da corrente eléctrica permitiu reduzir os defeitos na raiz, como vazios e falta de ligação na mesma, sem afectar as características metalúrgicas da interface. A utilização da corrente eléctrica permite aumentar a viscoplasticidade do material e facilitar a deformação plástica à volta do pino.

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

Numerical prediction of diffusion and electric field-induced iron nanoparticle transport

Zero valent iron nanoparticles (nZVI) are considered very promising for the remediation of contaminated soils and groundwaters. However, an important issue related to their limited mobility remains unsolved. Direct current can be used to enhance the nanoparticles transport, based on the same principles of electrokinetic remediation. In this work, a generalized physicochemical model was developed and solved numerically to describe the nZVI transport through porous media under electric field, and with different electrolytes (with different ionic strengths). The model consists of the Nernst–Planck coupled system of equations, which accounts for the mass balance of ionic species in a fluid medium, when both the diffusion and electromigration of the ions are considered. The diffusion and electrophoretic transport of the negatively charged nZVI particles were also considered in the system. The contribution of electroosmotic flow to the overall mass transport was included in the model for all cases. The nZVI effective mobility values in the porous medium are very low (10−7–10−4 cm2 V−1 s−1), due to the counterbalance between the positive electroosmotic flow and the electrophoretic transport of the negatively charged nanoparticles. The higher the nZVI concentration is in the matrix, the higher the aggregation; therefore, low concentration of nZVI suspensions must be used for successful field application.

Numerical modelling of compound channel flow

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - SFRH/BD/64337/2009 ; projects PTDC/ECM/70652/2006, PTDC/ECM/117660/2010 and RECI/ECM-HID/0371/2012

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.

Numerical simulation of galvanized rebars pullout

The usage of rebars in construction is the most common method for reinforcing plain concrete and thus bridging the tensile stresses along the concrete crack surfaces. Usually design codes for modelling the bond behaviour of rebars and concrete suggest a local bond stress – slip relationship that comprises distinct reinforcement mechanisms, such as adhesion, friction and mechanical anchorage. In this work, numerical simulations of pullout tests were performed using the finite element method framework. The interaction between rebar and concrete was modelled using cohesive elements. Distinct local bond laws were used and compared with ones proposed by the Model Code 2010. Finally an attempt was made to model the geometry of the rebar ribs in conjunction with a material damaged plasticity model for concrete.

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.

Exploring the potentialities of a new type of CFRP laminate for the simultaneous flexural and shear strengthening of RC beams: numerical research

This study aims to develop an innovative carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminate with a U configuration to address strengthening interventions, where the increment of both flexural and shear capacity of reinforced concrete (RC) elements is required. This strengthening solution combines the near surface mounted (NSM) and embedded through section (ETS) techniques in the same application, since these techniques have already evidenced high performance on flexural and shear strengthening of RC beams using FRP systems, respectively. In fact, the proposed hybrid technique aims to mobilize the advantages provided by these two strengthening techniques by using an innovative CFRP laminate. The strengthening efficacy of this new hybrid NSM/ETS technique was numerically assessed and compared to the corresponding efficiency of NSM and ETS techniques applied separately for the flexural and shear strengthening of RC beams, respectively. The numerical models are described and the main relevant results are presented and discussed.