Análise dinâmica e verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias mistas (aço-concreto) submetidas ao tráfego de veículos sobre o pavimento irregular.

As pontes rodoviárias metálicas e mistas (aço-concreto) são submetidas a um grande número de carregamentos repetitivos de diferentes magnitudes, ao longo do tempo. Estas ações dinâmicas podem causar a nucleação de fraturas ou mesmo a propagação destas sobre o sistema estrutural. A depender da magnitude, estes efeitos podem comprometer o sistema estrutural e a sua confiabilidade, além de reduzir a vida útil das pontes. Assim sendo, neste trabalho de pesquisa foi investigada a resposta dinâmica de uma ponte mista (aço-concreto), simplesmente apoiada, com vão de 40,0 m, submetida ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Para tal um modelo numérico representativo do sistema estrutural foi desenvolvido com base no emprego do programa ANSYS, por meio do uso de técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos. Um estudo paramétrico foi desenvolvido para identificar, de forma qualitativa e quantitativa, o efeito das irregularidades do pavimento sobre o comportamento dinâmico da ponte mista investigada. Em seguida, a verificação do projeto à fadiga do sistema misto foi realizada, com base no emprego do algoritmo de contagem de ciclos Rainflow e em curvas S-N associadas às principais normas de projeto sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa alertam aos engenheiros estruturais para a possibilidade concreta acerca do aumento do dano por fadiga, relacionado às ações dinâmicas de veículos trafegando sobre o tabuleiro de pontes em aço e mistas (aço-concreto).

Estabilidade de talude com efeito sísmico a partir dos métodos de equilíbrio limite e de elementos finitos.

A Costa Peruana apresenta alta atividade sísmica, tornando imprescindível a execução de análises de estabilidade que considerem os eventos sísmicos. Com o desenvolvimento de novas ferramentas numéricas, a análise dinâmica está se tornando cada vez mais importante e usual na fase de projeto, não se justificando mais a execução de análises estáticas em locais tão vulneráveis a sismos. A presente dissertação tem como objetivo realizar a análise da estabilidade dos Penhascos de Lima, Peru, considerando quatro taludes distintos, em uma região bastante afetada por abalos sísmicos. As análises foram executadas pelos métodos de equilíbrio limite, elementos finitos e pseudo-estático, buscando-se uma comparação entre os diferentes métodos. O trabalho apresenta uma descrição completa dos taludes em estudo, uma avaliação da condição sismológica da região e finalmente a estabilidade dos Penhascos de Lima, fazendo uso dos programas computacionais Slide (método do equilíbrio limite) e Plaxis (método dos elementos finitos) em 2D. Os resultados mostraram que os três métodos adotados forneceram fatores de segurança compatíveis, principalmente quando se considera perfis menos estratificados. Para perfis homogêneos, as diferenças obtidas foram da ordem de 0,5 a 1,0 %. As análises ressaltaram a importância de considerar a condição dinâmica, e mostraram-se bastante sensíveis aos valores de carga sísmica adotado.

Modelagem do caminhar humano e avaliação de conforto humano de passarelas de pedestres.

Com o passar dos anos a engenharia estrutural passou a lidar com a exigência cada vez maior de estruturas que ocupem menos espaço e sejam consideravelmente mais leves. No caso de passarelas de pedestres, a esbeltez da estrutura aliada a um baixo peso pode acarretar em problemas de vibrações devido à ressonância com o caminhar dos pedestres. Estes problemas podem variar desde uma simples sensação de desconforto até problemas mais graves como o colapso estrutural. Com base nestas premissas, esta dissertação visa investigar dois modelos estruturais, um em concreto armado e outro misto, do tipo aço concreto, onde os modelos serão estudados mediante o emprego do método dos elementos finitos através do programa ANSYS. Os modelos numéricos permitem determinar as frequências naturais da estrutura e consequentemente estudar as respostas dos modelos mediante análises de vibrações forçadas. As respostas dinâmicas da estrutura serão obtidas em termos dos valores dos deslocamentos máximos e das acelerações de pico. Os resultados obtidos foram comparados com os principais guias que regem o conforto humano no caso de caminhar de pessoas em passarelas de pedestres, de forma que houve indicativos de possíveis desconfortos após a análise dos resultados obtidos ao longo da investigação. Finalmente, foi feito um estudo considerando-se movimentos aleatórios dos pedestres sobre as passarelas, objetivando estudar os níveis da resposta dinâmica das estruturas nestas situações.

Modelagem do comportamento dinâmico e análise de fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto).

Considerando-se os diversos carregamentos que solicitam a estrutura de uma ponte rodoviária, ao longo de sua vida útil, alguns possuem um comportamento essencialmente dinâmico, ou seja, variam com o tempo, diferentemente do que é considerado na prática corrente de projeto desse tipo de obra de arte. Em geral, os projetistas desse tipo de estrutura têm tratado carregamentos como o de vento, tráfego de veículos e de pedestres como ações de natureza estática, ignorando seu perfil cíclico. Tal consideração, em diversas situações de projeto, tende a minorar os efeitos das ações dinâmicas sobre o sistema estrutural. Além disso, estruturas submetidas a solicitações cíclicas, sob uma carga inferior à caga máxima suportada pelo material, estão sujeitas ao fenômeno da fadiga. A consideração adequada de todos estes aspectos mostra-se fundamentalmente importante para correta avaliação dos níveis de esforços solicitantes do sistema estrutural e, bem como, para a identificação de fenômenos importantes como o da fadiga que pode vir a provocar, por exemplo, a ruptura de componentes estruturais sem aviso prévio ou motivo aparente. Para tal, nesta dissertação as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por seis vigas de aço longitudinais com enrijecedores transversais, oito transversinas e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi elaborado com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. As mesas e almas das vigas, assim como os enrijecedores , foram modelados por elementos de casca e laje de concreto armado, por elementos sólidos. O carregamento dinâmico avaliado no presente estudo diz respeito ao tráfego de veículos, cuja representação se dá a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". Os comboios formados são adotados como sendo semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

Estudo do comportamento e otimização do projeto estrutural de edifícios de concreto armado.

Com base no crescimento exponencial das populações urbanas, a demanda por espaço para habitação tem crescido vertiginosamente. Para atender a estas necessidades, edificações cada vez mais altas e mais esbeltas são projetadas e vãos cada vez maiores são utilizados. Novos materiais são criados e aprimorados para que seja extraído o máximo de desempenho com o menor custo. Deste modo, esta dissertação tem como objetivo o estudo do comportamento e otimização do projeto estrutural de edifícios. Para tal, considera-se ao longo do estudo o projeto de uma edificação de concreto armado com 47 metros de altura e 15 pavimentos, submetida às ações das cargas usuais de projeto atuantes sobre edifícios residenciais, além das cargas de vento. No que tange ao desenvolvimento do modelo computacional são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos, por meio do programa ANSYS. Inicialmente, a resposta estática e dinâmica do modelo estrutural é obtida e comparada com base nos valores limites propostos por normas de projeto. A partir de análises qualitativas e quantitativas desenvolvidas sobre a resposta estrutural do modelo em estudo são utilizadas técnicas de otimização com o objetivo de modificar e aprimorar o desempenho estrutural do edifício analisado.

Comportamento de uma área de resíduos de bauxita durante a operação de enchimento.

A técnica de deposição de resíduos de processamento de bauxita prevê uma operação inicial de lançamento de resíduos, por via úmida, no interior de reservatórios artificiais. Nesta fase de deposição, os resíduos são lançados em forma de polpa, sofrendo processos de sedimentação e adensamento por peso próprio. A vida útil dos reservatórios depende fundamentalmente do comportamento geotécnico do resíduo, cujas propriedades variam ao longo do tempo e da profundidade. A presente dissertação tem como objetivo a análise do comportamento de uma área de resíduos de bauxita durante a operação de enchimento do reservatório. Para tanto, foi utilizado o programa Plaxis, que executa análises tensão-deformação pelo método dos elementos finitos. Os parâmetros geotécnicos do resíduo foram definidos com base em ensaios de adensamento e piezocone, executados em amostras representativas da polpa de resíduos. Para calibração do modelo, a batimetria executada no reservatório foi confrontada com as cotas de enchimento previstas numericamente. Finalmente, a distribuição dos parâmetros geotécnicos (peso específico, índice de vazios, permeabilidade) com a profundidade prevista numericamente foi confrontada com os valores medidos no campo, ao final da etapa de enchimento. O conhecimento da variação dos parâmetros geotécnicos com a profundidade ao final do enchimento é importante para avaliar o comportamento do reservatório na etapa de operação de alteamento, e para a estimativa do ganho de vida útil do reservatório. Os resultados permitiram avaliar o funcionamento da drenagem de fundo, a distribuição complexa dos excessos de poropressão ao final do enchimento, os perfis dos índices físicos com a profundidade e o ganho de vida útil. As análises mostraram que o programa foi capaz de reproduzir os processos simultâneos de sedimentação e adensamento por peso próprio, em análises de enchimento de reservatórios de resíduos.

Estudo do comportamento estrutural e análise de conforto humano de edifícios de concreto armado.

Atualmente, os projetos de edifícios altos necessitam cada vez mais de sistemas estruturais simples, que agilizem sua montagem, reduzindo os custos e promovendo maior flexibilidade de utilização para os espaços construídos. Com essa finalidade, estruturas com poucas vigas vêm sendo muito utilizadas. Entretanto, o sistema estrutural com poucas vigas pode ocasionar dois tipos de problemas, relacionados entre si, a saber: diminuição do sistema de contraventamento da edificação e vibrações excessivas. Portanto, é fundamental, nesses casos, a verificação da estabilidade global da estrutura, utilizando índices de sensibilidade além de outros parâmetros de projeto, como também, o desenvolvimento de um estudo minucioso acerca do conforto humano da edificação. Assim sendo, neste trabalho de pesquisa foram investigados quatro modelos estruturais de edifícios altos de concreto armado, com base no estudo da variação entre o número de pavimentos e a quantidade de vigas existentes em cada modelo, objetivando-se verificar quais os efeitos que tais variações podem vir a gerar sobre a estabilidade global e, bem como, sobre o conforto humano dos sistemas estruturais investigados. A modelagem numérica dos edifícios em estudo foi realizada através do emprego do programa ANSYS e, para tal, foram utilizadas técnicas básicas de discretização, por meio do método dos elementos finitos. As conclusões alcançadas ao longo da investigação versam acerca do estudo da resposta estrutural estática e dinâmica dos edifícios, no que diz respeito as variações dos valores dos parâmetros de instabilidade, dos valores dos deslocamentos e esforços, e, bem como, dos níveis de conforto humano de cada modelo estrutural analisado.

Modelagem do comportamento estrutural estático e dinâmico e avaliação de conforto humano de edifícios de concreto armado.

Nas últimas décadas, a partir do crescimento substancial da população das grandes cidades, a demanda por espaço para habitação tem crescido de maneira importante. Para atender a estas necessidades, edificações cada vez mais altas e mais esbeltas são projetadas e vãos cada vez maiores são utilizados. Novos materiais são criados e aprimorados para que seja extraído o máximo de desempenho com o menor custo. Deste modo, esta dissertação tem como objetivo o estudo do comportamento estrutural e avaliação de conforto humano de edifícios de concreto armado. Para tal, são considerados ao longo do estudo quatro projetos de edificações de concreto armado distintos, com alturas variando na faixa de 30m a 70m (11 a 24 pavimentos), submetidos às ações das cargas usuais de projeto atuantes sobre edifícios residenciais, além das cargas de vento. No que tange ao desenvolvimento dos modelos computacionais são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos, por meio do programa ANSYS. Inicialmente, a resposta estrutural estática (deslocamentos e esforços) e dinâmica (acelerações de pico) dos modelos é obtida e comparada com base nos valores limites propostos por normas e recomendações de projeto. A partir de análises qualitativas e quantitativas desenvolvidas sobre a resposta dos modelos em estudo o desempenho estrutural dos edifícios analisados é avaliado, no que diz respeito ao conforto humano.

Análise numérica do efeito de sobrecargas assimétricas em estacas: estudo de pontes nas obras do Arco Metropolitano.

O presente trabalho aborda o efeito de sobrecargas assimétricas em estacas, através do estudo de caso de encontros da Ponte do Rio Capivari nas obras do Arco Metropolitano. Neste caso específico as estacas foram construídas previamente a execução de aterros em terra armada e para minimizar o efeito de Tschebotarioff o solo foi reforçado com colunas de brita. Com embasamento na revisão bibliográfica apresentada foi realizada a análise pelo Método dos Elementos Finitos. Esta análise, realizada pelo programa computacional Plaxis, teve como foco principal a obtenção dos deslocamentos e momentos fletores nas estacas para os dois casos analisados: sem colunas de brita e com solo homogêneo equivalente (com colunas de brita). Foi possível verificar a influência da introdução das colunas de brita na redução dos momentos fletores e deslocamentos horizontais nas estacas dos encontros. Realizou-se ainda uma simulação em que as estacas seriam construídas após a realização dos aterros em terra armada onde pode-se constatar que o efeito de sobrecargas assimétricas seria mitigado. Foi efetuada também a comparação entre os deslocamentos provenientes de dados coletados da instrumentação de campo (inclinômetros) e os obtidos pelas análises numéricas, estando os mesmos compatíveis entre si, demonstrando que a metodologia adotada para simulação das colunas de brita no Método dos Elementos finitos foi adequada.

Hydrodynamic interaction of two unsteady model microorganisms.

The study of pair-wise interactions between swimming microorganisms is fundamental to the understanding of the rheological and transport properties of semi-dilute suspensions. In this paper, the hydrodynamic interaction of two ciliated microorganisms is investigated numerically using a boundary-element method, and the microorganisms are modeled as spherical squirmers that swim by time-dependent surface deformations. The results show that the inclusion of the unsteady terms in the ciliary propulsion model has a large impact on the trajectories of the interacting cells, and causes a significant change in scattering angles with potential important consequences on the diffusion properties of semi-dilute suspensions. Furthermore, the analysis of the shear stress acting on the surface of the microorganisms revealed that the duration and the intensity of the near-field interaction are significantly modified by the presence of unsteadiness. This observation may account for the hydrodynamic nature of randomness in some biological reactions, and supersedes the distinction between intrinsic randomness and hydrodynamic interactions, adding a further element to the understanding and modeling of interacting microorganisms.

The direct field boundary impedance of two-dimensional periodic structures with application to high frequency vibration prediction.

Large sections of many types of engineering construction can be considered to constitute a two-dimensional periodic structure, with examples ranging from an orthogonally stiffened shell to a honeycomb sandwich panel. In this paper, a method is presented for computing the boundary (or edge) impedance of a semi-infinite two-dimensional periodic structure, a quantity which is referred to as the direct field boundary impedance matrix. This terminology arises from the fact that none of the waves generated at the boundary (the direct field) are reflected back to the boundary in a semi-infinite system. The direct field impedance matrix can be used to calculate elastic wave transmission coefficients, and also to calculate the coupling loss factors (CLFs), which are required by the statistical energy analysis (SEA) approach to predicting high frequency vibration levels in built-up systems. The calculation of the relevant CLFs enables a two-dimensional periodic region of a structure to be modeled very efficiently as a single subsystem within SEA, and also within related methods, such as a recently developed hybrid approach, which couples the finite element method with SEA. The analysis is illustrated by various numerical examples involving stiffened plate structures.

Hydrodynamic entrapment of bacteria swimming near a solid surface.

The near-surface motility of bacteria is important in the initial formation of biofilms and in many biomedical applications. The swimming motion of Escherichia coli near a solid surface is investigated both numerically and experimentally. A boundary element method is used to predict the hydrodynamic entrapment of E. coli bacteria, their trajectories, and the minimum separation of the cell from the surface. The numerical results show the existence of a stable swimming distance from the boundary that depends only on the shape of the cell body and the flagellum. The experimental validation of the numerical approach allows one to use the numerical method as a predictive tool to estimate with reasonable accuracy the near-wall motility of swimming bacteria of known geometry. The analysis of the numerical database demonstrated the existence of a correlation between the radius of curvature of the near-wall circular trajectory and the separation gap. Such correlation allows an indirect estimation of either of the two quantities by a direct measure of the other without prior knowledge of the cell geometry. This result may prove extremely important in those biomedical and technical applications in which the near-wall behavior of bacteria is of fundamental importance.

Modelling of equipment loaded panels for robust control investigations

This paper develops a modelling technique for equipment load panels which directly produces (adequate) models of the underlying dynamics on which to base robust controller design/evaluations. This technique is based on the use of the Lagrange's equations of motion and the resulting models are verified against those produced by a finite Element Method Model.

A cohesive approach to thin-shell fracture and fragmentation

We develop a finite-element method for the simulation of dynamic fracture and fragmentation of thin-shells. The shell is spatially discretized with subdivision shell elements and the fracture along the element edges is modeled with a cohesive law. In order to follow the propagation and branching of cracks, subdivision shell elements are pre-fractured ab initio and the crack opening is constrained prior to crack nucleation. This approach allows for shell fracture in an in-plane tearing mode, a shearing mode, or a bending of hinge mode. The good performance of the method is demonstrated through the simulation of petalling failure experiments in aluminum plates. © 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

The elastic-plastic indentation response of a columnar thermal barrier coating

Thermal barrier coatings with a columnar microstructure are prone to erosion damage by a mechanism of surface cracking upon impact by small foreign particles. In order to explore this erosion mechanism, the elastic indentation and the elastic-plastic indentation responses of a columnar thermal barrier coating to a spherical indenter were determined by the finite element method and by analytical models. It was shown that the indentation response is intermediate between that of a homogeneous half-space and that given by an elastic-plastic mattress model (with the columns behaving as independent non-linear springs). The sensitivity of the indentation behaviour to geometry and to the material parameters was explored: the diameter of the columns, the gap width between columns, the coefficient of Coulomb friction between columns and the layer height of the thermal barrier coating. The calculations revealed that the level of induced tensile stress is sufficient to lead to cracking of the columns at a depth of about the column radius. It was also demonstrated that the underlying soft bond coat can undergo plastic indentation when the coating comprises parallel columns, but this is less likely for the more realistic case of a random arrangement of tapered columns. © 2009 Elsevier B.V.