Limitadores de corrente supercondutores: estudo da ligação magnética entre enrolamentos

Nos dias de hoje, devido à rápida expansão dos meios urbanos e consequentemente das redes de energia elétrica, o correto funcionamento de todo o sistema tornou-se no ponto fulcral para a satisfação, confiabilidade, qualidade e redução de custos para todos os utilizadores. Como tal, a agregação de redes e consequente expansão provoca o aumento do risco de correntes de Curto-Circuito (CC) que poderão levar à destruição de equipamentos que constituem a rede, bem como a problemas para os consumidores. Deste modo os limitadores de correntes constituídos por materiais com propriedades supercondutoras, nomeadamente, Supercondutores de Alta Temperatura (SAT), tornam-se numa solução para a resolução deste problema que afeta grande parte da população. Os Limitadores de Corrente Supercondutor (LCS) constituem uma solução garantindo a proteção das redes de energia, bem como dos equipamentos e infraestruturas que os compõem, analogamente a outras soluções já existentes. Estes apresentam invisibilidade numa rede em regime de funcionamento normal e são desenvolvidos com o intuito de apresentar uma rápida recuperação e elevada impedância aquando da ocorrência de falha, minimizando os danos que poderiam causar. Na presente dissertação são apresentados estudos e análises a três topologias de LCS do tipo indutivo de blindagem magnética com base em simulações recorrendo ao software de elementos finitos Flux2D® e com base nos ensaios experimentais. O estudo baseia-se na análise do modo de funcionamento dos LCS em regime de funcionamento normal, variando algumas características dos limitadores, bem como a análise crítica a algumas variáveis no âmbito do tema da presente dissertação, de modo a minimizar as perdas.

Estudo do motor em disco com o rotor em alumínio e em supercondutor multi-semente

Nesta dissertação é realizado o estudo de um motor em disco polifásico com armadura convencional e rotor que pode ser convencional, em alumínio, ou composto por material supercondutor de alta temperatura multi‐semente. O motor com o rotor em alumínio apresenta um comportamento assíncrono bem definido, baseado na lei geral de indução de eletromotrizes no induzido. Contudo, ao ser mergulhado em azoto líquido, evidencia melhores características eléctricas, tanto do induzido como do indutor, mesmo que o núcleo ferromagnético convencional possa exibir degradação magnética. O motor com o rotor SAT exibe um comportamento distinto, evidenciando ambos os regimes síncrono e assíncrono estáveis. O regime síncrono fica caracterizado pelo fenómeno de aprisionamento de campo, que garante que o rotor gire síncrono com o campo girante do estator. Em regime assíncrono, para um determinado valor de binário resistente aplicado superior ao electromagnético máximo desenvolvido pelo motor, o fenómeno de escoamento de campo está presente, sendo o binário electromagnético motor reforçado por um binário extra de perdas de carácter resistivo desenvolvidas no rotor devido à interacção da densidade de corrente a campos eléctricos que se estabelecem no rotor. Neste caso, o fenómeno de escoamento de campo não é devido a forças de Lorentz que se definem na matriz de Abrikosov, mas sim devido a esta ser “puxada” pelo campo girante do estator, ficando a matriz a deslizar sobre o rotor. De modo a obter as características dos sistemas electromecânicos em estudo é realizada uma análise teórica, baseada na teoria convencional das máquinas eléctricas, com o objectivo de compreender alguns dos fenómenos do motor de fluxo axial, e uma análise baseada num programa comercial de elementos finitos onde o fenómeno da supercondutividade é simulado com base na relação entre o campo elétrico e a densidade de corrente pela lei da potenciação (E‐J power law). O ensaio dos motores referidos é realizado para comparar ambos os sistemas e de realçar o princípio de funcionamento e as características mais relevantes de cada um. Da análise realizada é desenvolvido um modelo que caracteriza o funcionamento da máquina com o rotor com SAT.

Pressões sobre cortinas de contenção em solos com nível freático elevado

No pré-dimensionamento de cortinas de contenção flexíveis multi-escoradas são frequentemente utilizados diagramas aparentes, sobretudo para a previsão das cargas nas escoras. Nos casos de níveis freáticos elevados, tais diagramas, em especial quando dizem respeito a solos arenosos, foram obtidos em situações em que foi possível proceder ao rebaixamento do nível freático. O trabalho pretende contribuir para a compreensão da distribuição das pressões totais sobre a cortina nos casos em que tal rebaixamento não se verifique. Começa-se por fazer uma breve análise do problema com base no publicado na bibliografia. Recorrese a análises tensão-deformação, por elementos finitos, para o estudo de um caso-base, comparando-se cenários em que não se considera a presença de água no terreno com outros em que tal presença se verifica, tanto modelando os efeitos da percolação como assumindo que a cortina impede a entrada de água para a escavação. Procede-se a análise paramétrica que procura estudar os efeitos nas pressões na cortina da altura enterrada, do peso volúmico do solo, da rigidez das escoras, da rigidez da parede, da largura de escavação, da escala do problema e da resistência do terreno. Analisam-se os resultados obtidos e tiram-se algumas conclusões sobre os diagramas a adoptar no pré-dimensionamento para os casos de nível freático elevado.

Análise de verificações indirectas do EC2 para a deformação de lajes e vigas

O presente trabalho tem como objetivo avaliar os limites de esbelteza preconizados nos regulamentos e normas utilizados em Portugal relativamente ao estado limite de deformação. Serão comparados diretamente para os mesmos vãos, os conceitos de verificação indireta de deformação do Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esforçado (REBAP) e do Eurocódigo 2: Parte 1–1 (EC2-1-1), para lajes e vigas. Inicialmente será efetuado um estudo académico paramétrico, onde são avaliadas as flechas verticais em serviço para diferentes vãos, condições de apoio e geometria em planta. São comparados inicialmente os valores das flechas para análises lineares, usando as tabelas de Bares e modelos de elementos finitos com o software comercial SAP2000, de maneira a validar o modelo. De seguida são aplicados os métodos simplificativos de cálculo de flechas a longo prazo usando os ábacos do Comité Euro-International du Béton (CEB). Estes valores são depois comparados com as análises fisicamente não lineares em estado fendilhado a longo prazo com o SAP2000. O objetivo principal é portanto estabelecer comparações entre os dois métodos de análise pretendendo-se mostrar que a modelação com elementos finitos conduz a valores de deformações inferiores ao cálculo analítico permitindo uma maior economia no dimensionamento de elementos estruturais. Para finalizar é apresentado um manual de utilizador com o intuito de auxiliar o processo de modelação de elementos estruturais com elementos finitos não lineares utilizando o programa referido.

Análise modal de um edifício de paredes de alvenaria resistente

O parque habitacional em Portugal é composto por um elevado número de edifícios antigos constituídos por paredes de alvenaria resistente. Nos últimos anos tem-se constatado um interesse crescente na preservação e reutilização dessas construções, por se encontrarem frequentemente em zonas históricas privilegiadas, e com potencial interesse de exploração económica. Estes motivos têm levado à realização de intervenções estruturais nesses edifícios, com vista à reorganização dos espaços, podendo desencadear alterações no seu comportamento estrutural. O objetivo primordial deste estudo é avaliar as alterações da resposta modal de um edifício de paredes de alvenaria resistente, sujeito a uma intervenção de remoção das paredes num dos seus fogos. Para tal, realizaram-se duas campanhas experimentais de identificação modal à vibração ambiente, com o intuito de determinar as propriedades dinâmicas da estrutura, antes e após a intervenção. Procedeu-se à elaboração de um modelo de elementos finitos da estrutura recorrendo ao programa de análise de estruturas SAP2000, que permitiu efetuar também a correspondente análise numérica do problema. Foi ainda realizada uma análise ao comportamento modal do edifício, onde se identificaram diversas hipóteses que influenciam a resposta dinâmica da estrutura, tendo sido desenvolvidos alguns modelos numéricos, com o objetivo de examinar nomeadamente a influência dos edifícios adjacentes, e da interação solo-estrutura, no comportamento global do edifício analisado.

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.

Rotura de fundo em escavações devida a percolação ascendente

A rotura de fundo de escavações em solos arenosos, com nível freático elevado e em que se procede ao rebaixamento do nível de água no interior da escavação, causando percolação em torno da cortina, é sobretudo tratada como se fosse um problema de levantamento hidráulico, em que o colapso ocorre por anulação da tensão efetiva e é independente da resistência do solo. No entanto, em fase anterior à anulação da tensão efetiva, esta deverá assumir um valor baixo, que poderá causar a rotura do fundo. Tal problema não é, praticamente, abordadona bibliografia, sendo objeto do estudo desenvolvido. Recorre-se à análise tensão-deformação, por elementos finitos, de um caso de estudo, seguido da determinação numérica do coeficiente de segurança e, portanto, do parâmetro de resistência do solo no colapso. A partir deste caso de estudo, desenvolve-se um conjunto de análises paramétricas incidindo sobre aspetos estruturais, mecânicos e geométricos. São analisados os resultados obtidos e são tiradas conclusões relativamente ao fenómeno de rotura de fundo de escavações em solos arenosos.

Paradigmas construtivos da máquina elétrica de relutância comutada: aplicação em regime de baixas velocidades. Aproveitamentos de energias renováveis

A máquina elétrica de relutância comutada (MERC) é, inerentemente, um conversor eletromecânico de velocidade variável, facilmente controlado através dos instantes de excitação e desexcitação do circuito magnético partilhado pelas fases. A sua robustez e simplicidade construtiva (só enrolamentos concentrados no estator), flexibilidade de controlo, bom rendimento numa gama alargada de velocidades, a sua fiabilidade e tolerância a defeitos fazem desta máquina uma opção válida para sistemas de conversão de energia caraterizados por baixas velocidades. A tendência crescente de instalar turbinas eólicas em offshore, para além dos desafios económicos e tecnológicos que levanta, torna a fiabilidade e a tolerância a defeitos, requisitos de vital importância. Neste contexto, a potencial aplicação da MERC a geradores eólicos sem recurso a caixa de velocidades, já que esta penaliza o custo, o volume e a fiabilidade do sistema, serviu de motivação a este trabalho. Nesta dissertação apresentam-se, numa perspetiva comparativa, diferentes paradigmas construtivos da MERC para o funcionamento gerador em regime de baixas velocidades, caraterístico dos aproveitamentos de energias renováveis. Para o efeito, formularam-se leis de escala apropriadas a análises dimensionais de topologias diferenciadas pelas caraterísticas dos circuitos elétrico e magnético e do seu posicionamento relativo. Estes modelos de escala permitiram introduzir constrangimentos físicos e dos materiais que condicionam o projeto da máquina, como a saturação magnética e limites de temperatura. Das análises dimensionais e validação com elementos finitos, elegeu-se uma estrutura magnética modular com caminhos de fluxo curtos que foi comparada com um protótipo de MERC regular, previsto para equipar um gerador eólico. Quando comparadas as duas topologias, assumindo dimensões idênticas, a modular apresentou um significativo ganho de potência específica mantendo bons níveis de rendimento. Pretende-se assim alargar a discussão do projeto das MERC, geralmente confinado a topologias regulares, a um contexto mais abrangente que inclua novos paradigmas construtivos.

Modelação dinâmica do embate de embarcações sobre pilares de pontes

Após o embate de uma embarcação contra o maciço do pilar da Ponte 25 de Abril em Lisboa e tendo em conta a importância desta estrutura, levantaram-se algumas preocupações referentes à segurança da ponte quanto a este tipo de solicitações. Como tal, no seguimento desta problemática, o principal objetivo do presente trabalho é avaliar a resposta da Ponte 25 de Abril sujeita ao embate de embarcações. Sabe-se que a Ponte 25 de Abril foi dimensionada tendo como base o sismo de El Centro de 1940, não tendo sido feito um estudo pormenorizado na temática do embate de uma embarcação uma vez que os momentos na base do maciço, resultantes do sismo estudado no projeto, eram largamente superiores aos mesmos momentos provocados por uma força no topo do maciço que pretendia simular o embate de uma embarcação. No entanto, as expressões que pretendem simular o efeito de um embate de uma embarcação em pilares de pontes evoluíram desde a data do projeto. Sendo os maciços dos pilares os elementos estruturais diretamente sujeitos ao evento do embate, transmitindo posteriormente os deslocamentos e forças aos respetivos pilares, o presente estudo focou-se nestes elementos. Para se estudar o comportamento do maciço de um pilar da ponte sujeito a estas ações dinâmicas, foram necessários dados para se definir a estrutura em causa e a respetiva solicitação, como também foi necessário um programa de cálculo não-linear de estruturas indicado para o presente caso. Obteve-se o projeto da Ponte 25 de Abril assim como dados relativos a todas as embarcações que cruzaram a Ponte no ano de 2014. A modelação da estrutura e respetivas solicitações foram feitas com recurso ao programa de cálculo não-linear de estruturas Extreme Loading for Structures, que utiliza o Método dos Elementos Aplicados. A partir do modelo do maciço do pilar da ponte traçaram-se as curvas de capacidade dinâmica e estática da estrutura e simularam-se tanto o sismo de El Centro de 1940 como o embate da embarcação mais condicionante que poderia ter ocorrido no ano de 2014. Com base nos resultados obtidos nos ensaios efetuados no presente trabalho verificou-se que, embora o embate de uma embarcação possa ser mais condicionante do que o sismo para o qual foi dimensionada, a estrutura do maciço resiste a ambas as solicitações não apresentando danos significativos.

Avaliação da capacidade resistente de placas de ancoragem em condições drenadas

Esta dissertação tem por objetivo ser um contributo para o dimensionamento de placas de ancoragem dispostas verticalmente em solos respondendo em condições drenadas. Para tal, recorre-se a um programa de elementos fnitos que implementa os teoremas estático e cinemático da análise limite para o cálculo da carga última de uma placa de ancoragem. O documento mostra o estudo efetuado sobre a infuência dos parâmetros, quer geométricos, quer mecânicos, tanto do maciço como da placa, sobre a capacidade de carga registada. Do ponto de vista geométrico foi estudada em condições bidimensionais a infuência da profundidade relativa da colocação da placa. Em condições tridimensionais, para além deste aspeto, foi também estudada a infuência da largura da placa. Do ponto de vista mecânico estudou-se a infuência na capacidade de carga do ângulo de resistência ao corte assim como da rugosidade da placa. Os resultados deste estudo são apresentados sob a forma de fatores de arrancamento em função dos diversos parâmetros estudados. Os resultados obtidos são comparados com os resultados de carácter experimental e numérico teórico de outros autores encontrados na literatura. No final do trabalho, apresenta-se uma proposta sob forma gráfica de uma relação entre as capacidades de carga de uma placa finita e de uma placa corrida.

Filtros em barragens de aterro: caracterização da sua permeabilidade

A determinação do coeficiente de permeabilidade de filtros de barragens de aterro é feita com a aplicação de equações empíricas. Dado que estas equações variam com o índice de vazios, a sua aplicação a um mesmo filtro, pode originar variações do coeficiente de permeabilidade, consoante o valor de índice de vazios que lhe é atribuído. Neste trabalho é feita uma análise, aplicando diferentes formulas empíricas devidamente selecionadas a dois filtros construídos para o controlo do movimento de partículas e analisam-se os resultados obtidos. Os dois filtros são ainda sujeitos a ensaios de permeabilidade em laboratório com uso do permeâmetro de parede rígida a carga constante, variando o seu índice de vazios, de modo a perceber qual das equações adotadas melhor se adequa aos resultados obtidos no laboratório. Por fim, é feita uma análise da estabilidade hidráulica de uma barragem de aterro zonada, modelada com base num programa de elementos finitos, da qual fazem parte um filtro chaminé e um filtro horizontal, aos quais se aplicou uma gama de coeficientes de permeabilidade inserida nos resultados obtidos nas equações anteriores.

Análise da vulnerabilidade sísmica do arco da Rua Augusta

Em Portugal grande parte dos edifícios históricos antigos são constituídos por alvenaria de pedra. Este género de construção é particularmente vulnerável a ações de natureza dinâmica, nomeadamente a ações sísmicas. O estudo da vulnerabilidade sísmica destes edifícios permite estimar os níveis de dano expectáveis, aquando da ocorrência de um sismo e apoiar o desenvolvimento de técnicas de reforço que permitam evitar o colapso dos mesmos. O objetivo principal do presente estudo é avaliar a vulnerabilidade sísmica do arco da rua Augusta em Lisboa, perante um evento sísmico regulamentar, utilizando um programa de cálculo comercial especializado que permite a utilização de análises dinâmicas não lineares. Numa primeira fase procedeu-se à identificação modal do arco, com recurso a ensaios de vibração ambiental. Os resultados destes ensaios de caracterização dinâmica foram utilizados para calibrar o modelo numérico, o qual foi desenvolvido no programa de cálculo Extreme Loading for Structures, baseado no Método dos Elementos Aplicados. O modelo numérico foi utilizado, numa segunda fase, para avaliar a vulnerabilidade sísmica do arco. Uma análise preliminar pushover permitiu obter a curva de capacidade da estrutura, que por sua vez, possibilita a definição os limites de um conjunto de estados de dano considerados relevantes para o arco. Subsequentes análises sísmicas não lineares e a definição de curvas de fragilidade, permitem estimar os níveis de dano prováveis para vários níveis de ação sísmica e concluir sobre a vulnerabilidade sísmica do Arco da Rua Augusta perante um cenário sísmico regulamentar.

Análise experimental e numérica da conexão aço-betão leve realizada com pernos de cabeça

O presente trabalho procura abordar a modelação numérica da conexão entre o perfil metálico e a laje de betão, quando se utilizam conectores do tipo perno e betão leve. Utilizam se elementos finitos de volume para definir todos os elementos presentes na ligação, recorrendo ao software ATENA 3D. A partir dos modelos desenvolvidos procura-se avaliar quais os parâmetros relevantes para o comportamento da conexão aço betão leve. Recorre-se a resultados de ensaios de tipo push out anteriormente realizados na Universidade do Minho para validar os modelos numéricos desenvolvidos.

Shear strengthening of reinforced concrete beams with SHCC-FRP panels

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil

Structural analysis of the masonry envelope of Ica Cathedral, Peru

Dissertação de mestrado em Structural Analysis of Monuments and Historical Constructions