Modelagem do comportamento estrutural estático e dinâmico de lajes nervuradas de concreto armado.

Diversos pesquisadores têm estudado o comportamento e o emprego de lajes nervuradas de concreto armado em sistemas estruturais na engenharia civil que demonstrem viabilidade sob o ponto de vista técnico e econômico. Por esta razão, inúmeros trabalhos têm sido publicados nos últimos anos respaldados por testes experimentais e análises numéricas. Neste contexto, diversos tipos de sistemas estruturais de lajes nervuradas têm sido desenvolvidos. Assim sendo, o objetivo desta investigação é o de contribuir, no que tange ao estudo do comportamento estrutural estático e dinâmico de lajes nervuradas de concreto armado, tendo em mente o emprego destas em sistemas estruturais na engenharia civil. Este trabalho de pesquisa objetiva também o estudo da resposta dinâmica de lajes nervuradas de concreto armado, sob o ponto de vista de conforto humano, especialmente quando essas estruturas encontram-se submetidas a atividades humanas rítmicas. A definição das ações dinâmicas atuantes sobre os modelos estruturais foi feita com base em resultados experimentais, que consideram grupos de indivíduos desenvolvendo atividades rítmicas correspondentes à ginástica aeróbica (atividade sincronizada). São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa de elementos finitos ANSYS. No presente modelo computacional, as vigas de bordo, nervuras e a laje de concreto armado são simuladas por elementos finitos de casca. Os resultados obtidos ao longo do estudo, em termos das acelerações de pico, são confrontados e comparados com os limites propostos por normas de projeto, sob o ponto de vista do conforto humano. Com base na análise dinâmica das lajes nervuradas investigadas foi possível verificar que as atividades humanas rítmicas podem vir a gerar valores de acelerações de pico elevados e que violam os critérios de conforto humano. Deste modo, foi observado que, as acelerações nos modelos estudados, podem atingir níveis elevados de vibração que comprometem o conforto dos usuários.

Análise estática e dinâmica de lajes nervuradas de concreto armado.

Nesta dissertação desenvolve-se um estudo sobre o comportamento estrutural de lajes nervuradas de concreto armado, tendo em mente o emprego destas em sistemas estruturais na engenharia civil, de forma viável sob o ponto de vista técnico e econômico. No cenário atual, diversos tipos de sistemas estruturais têm sido desenvolvidos, dentre estes as lajes nervuradas de concreto armado com base no sistema Reduzcon. Essas lajes nervuradas têm como principais características o baixo consumo de material e o peso próprio bastante reduzido. Este sistema utiliza cubas cilíndricas invertidas metálicas denominadas BRC (Barrote Redutor de Concreto), que suportam o concreto da laje. Assim sendo, este trabalho de pesquisa apresenta um estudo acerca da resposta estática e dinâmica do sistema estrutural em questão, em relação aos deslocamentos translacionais verticais e tensões; e, bem como, da resposta dinâmica do sistema sob o ponto de vista de conforto humano. Ênfase especial é dada às atividades humanas rítmicas, com base no emprego de modelos de carregamento que representem as ações inerentes à ginástica aeróbica. A definição das ações dinâmicas atuantes sobre os modelos estruturais foi feita com base em resultados de testes experimentais que levam em conta os efeitos de multidão. A análise numérica fundamenta-se na modelagem computacional do sistema, através do Método dos Elementos Finitos (MEF), de forma a representar apropriadamente o comportamento estrutural das lajes Reduzcon. São empregadas técnicas usuais de discretização, por meio do programa ANSYS. As vigas de bordo, nervuras e a laje de concreto são simuladas por elementos finitos sólidos tridimensionais.

Avaliação do efeito da interação solo estrutura sobre o comportamento estrutural de edificações em aço e mistas (aço concreto).

O conhecimento do tema da interação solo-estrutura permite que as edificações sejam projetadas de maneira mais realista com o comportamento físico. Há décadas atrás seria inviável um dimensionamento considerando a deformabilidade do solo de fundação, e as estruturas eram dimensionadas adotando-se as fundações como indeslocáveis, sob uma base rígida. Essa consideração conduz a respostas estruturais inadequadas, por vezes comprometendo a segurança e a estabilidade do conjunto estrutural. Atualmente, o avanço tecnológico permite a obtenção de resultados de milhões de cálculos matemáticos em questões de segundos, podendo-se obter soluções mais arrojadas e dinâmicas, facilitando o dimensionamento estrutural de forma a atender ao novo padrão de construção e arquitetura. A relevância de tal assunto motivou a análise numérica de um edifício de 4 pavimentos de estrutura mista (aço-concreto), considerando o efeito da interação solo-estrutura. As análises foram conduzidas com o programa ANSYS, de elementos finitos, substituindo-se os apoios indeslocáveis por molas discretas, lineares e elásticas, com rigidez equivalente ao solo, conforme hipótese de Winkler. Os parâmetros dos solos de fundação foram adquiridos a partir de correlações empíricas existentes na literatura e da utilização do programa computacional PLAXIS para a determinação das constantes elásticas das molas. Neste trabalho, foram comparados os resultados de reações verticais, esforços normais, momentos fletores e deslocamentos da estrutura obtidos pelo modelo clássico de projeto, que considera apoios indeslocáveis, e pelo modelo de Winkler, que considera a interação solo-estrutura. As análises foram executadas para seis diferentes tipos de solos argilosos, siltosos e arenosos. Os resultados obtidos mostraram claramente a redistribuição dos momentos fletores, esforços normais e reações verticais nos pilares com diferenças significativas para os pilares de canto e periféricos. Observou-se uma tendência de alívio dos esforços nos pilares mais solicitados, adotando a estrutura assentada em uma base rígida. As análises ressaltaram a relevância da interação solo-estrutura, com efeitos provenientes do rearranjo do solo de fundação nos elementos estruturais das edificações.

Otimização de torre de aço para aerogerador eólico.

Diversas formas de geração de energia vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de oferecer alternativas ecologicamente corretas. Neste contexto, a energia eólica vem se destacando na região Nordeste do Brasil, devido ao grande potencial dos ventos da região. As torres, que representam parcela significativa do custo total do sistema, tendem a crescer buscando ventos mais fortes e permitindo assim a utilização de aerogeradores com maior capacidade de geração de energia. Este trabalho tem como objetivo formular um modelo de otimização de torres tubulares de aço, para aerogeradores eólicos. Busca-se minimizar o volume total (custo, indiretamente), tendo como variáveis de projeto as espessuras da parede da torre. São impostas restrições relativas à frequência natural e ao comportamento estrutural (tensão e deslocamento máximo de acordo com recomendações da norma Europeia). A estrutura da torre é modelada com base no Método dos Elementos Finitos e o carregamento atuante na estrutura inclui os pesos da torre, do conjunto de equipamentos instalados no topo (aerogerador), e o efeito estático da ação do vento sobre a torre. Para verificação das tensões, deslocamentos e frequências naturais, foram utilizados elementos finitos de casca disponíveis na biblioteca do programa de análise ANSYS. Os modelos de otimização foram também implementados no modulo de otimização do programa ANSYS (design optimization), que utiliza técnicas matemáticas em um processo iterativo computadorizado até que um projeto considerado ótimo seja alcançado. Nas aplicações foram usados os métodos de aproximação por subproblemas e o método de primeira ordem. Os resultados obtidos revelam que torres para aerogeradores merecem atenção especial, em relação à concepção do projeto estrutural, sendo que seu desempenho deve ser verificado através de metodologias completas que englobem além das análises clássicas (estáticas e dinâmicas), incluam também as análises de otimização.

Análise dinâmica não determinística de edifícios mistos (aço-concreto) submetidos à ação de cargas de vento.

Avanços tecnológicos no ramo das ciências dos materiais e de processos construtivos, combinado a um cenário econômico favorável, têm levado a um crescimento substancial na construção de edifícios de múltiplos andares pelo mundo. Estes edifícios têm sido construídos com estruturas cada vez mais arrojadas e com elevados níveis de esbeltez, tornando-se verdadeiras obras de arte. Todavia, a compatibilidade dos requisitos arquitetônicos com as condições necessárias de estabilidade de tais estruturas é fundamental, e requer dos engenheiros civis um conhecimento teórico substancial desde a concepção do projeto estrutural até o processo construtivo propriamente dito. Assim sendo, o objetivo desta dissertação de mestrado é o de investigar o comportamento estrutural de um edifício de 20 pavimentos misto (aço-concreto) submetido às ações de cargas de vento não determinísticas. No núcleo interno da edificação três tipos de contraventamentos são empregados e analisados. De forma semelhante, no desenvolvimento do modelo computacional são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos, por meio do programa Ansys. Assim, a resposta dinâmica não determinística do modelo estrutural, em termos dos valores máximos médios dos deslocamentos e das acelerações, é obtida e comparada com os valores limites propostos por normas e recomendações de projeto.

Comportamento estrutural de vigas casteladas em aço inoxidável.

As vigas casteladas já são utilizadas em diversos tipos de estruturas para se vencer grandes vãos. Há uma nova realidade para o uso de perfis castelados, agora em aço inoxidável. Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre vigas casteladas e vigas de alma cheia em perfis IPE, baseadas na norma europeia, no método da resistência contínua; e, também, através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento e a resistência à flexão das vigas casteladas em aço inoxidável. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta estrutura. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises e da lei constitutiva tensão versus deformação multi-linear, de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi considerada a partir de uma formulação de Lagrange atualizado. Os resultados numéricos das vigas em estudo foram avaliados quanto aos modos de falha e da distribuição de tensões. Os momentos resistentes analíticos foram comparados com os resultados do modelo numérico apresentando valores satisfatórios e a favor da segurança.

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.

Material model of lung parenchyma based on living precision-cut lung slice testing.

We describe a novel constitutive model of lung parenchyma, which can be used for continuum mechanics based predictive simulations. To develop this model, we experimentally determined the nonlinear material behavior of rat lung parenchyma. This was achieved via uni-axial tension tests on living precision-cut rat lung slices. The resulting force-displacement curves were then used as inputs for an inverse analysis. The Levenberg-Marquardt algorithm was utilized to optimize the material parameters of combinations and recombinations of established strain-energy density functions (SEFs). Comparing the best-fits of the tested SEFs we found Wpar = 4.1 kPa(I1-3)2 + 20.7 kPa(I1 - 3)3 + 4.1 kPa(-2 ln J + J2 - 1) to be the optimal constitutive model. This SEF consists of three summands: the first can be interpreted as the contribution of the elastin fibers and the ground substance, the second as the contribution of the collagen fibers while the third controls the volumetric change. The presented approach will help to model the behavior of the pulmonary parenchyma and to quantify the strains and stresses during ventilation.

Precracked reinforced concrete T-Beams repaired in shear with bonded carbon Fiber-Reinforced Polymer sheets

This study investigates the structural behavior of precracked reinforced concrete (RC) T-beams strengthened in shear with externally bonded carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) sheets. It reports on seven tests on unstrengthened and strengthened RC T-beams, identifying the influence of load history, beam depth, and percentage of longitudinal steel reinforcement on the structural behavior. The experimental results indicate that the contributions of the external CFRP sheets to the shear force capacity can be significant and depend on most of the investigated variables. This study also investigates the accuracy of the prediction of the fiber-reinforced polymer (FRP) contribution in ACI 440.2R-08, UK Concrete Society TR55, and fib Bulletin 14 design guidelines for shear strengthening. A comparison of predicted values with experimental results indicates that the guidelines can overestimate the shear contribution of the externally bonded FRP system. © 2012, American Concrete Institute.

Branching toughens fibrous networks.

Fibrous collagenous networks are not only stiff but also tough, due to their complex microstructures. This stiff yet tough behavior is desirable for both medical and military applications but it is difficult to reproduce in engineering materials. While the nonlinear hyperelastic behavior of fibrous networks has been extensively studied, the understanding of toughness is still incomplete. Here, we identify a microstructure mimicking the branched bundles of a natural type I collagen network, in which partially cross-linked long fibers give rise to novel combinations of stiffness and toughness. Finite element analysis shows that the stiffness of fully cross-linked fibrous networks is amplified by increasing the fibril length and cross-link density. However, a trade-off of such stiff networks is reduced toughness. By having partially cross-linked networks with long fibrils, the networks have comparable stiffness and improved toughness as compared to the fully cross-linked networks. Further, the partially cross-linked networks avoid the formation of kinks, which cause fibril rupture during deformation. As a result, the branching allows the networks to have stiff yet tough behavior.

A coordination-based approach to elasticity of floppy and stiff random networks

We study the role of connectivity on the linear and nonlinear elastic behavior of amorphous systems using a two-dimensional random network of harmonic springs as a model system. A natural characterization of these systems arises in terms of the network coordination relative to that of an isostatic network $\delta z$; a floppy network has $\delta z<0$, while a stiff network has $\delta z>0$. Under the influence of an externally applied load we observe that the response of both floppy and rigid network are controlled by the same critical point, corresponding to the onset of rigidity. We use numerical simulations to compute the exponents which characterize the shear modulus, the amplitude of non-affine displacements, and the network stiffening as a function of $\delta z$, derive these theoretically and make predictions for the mechanical response of glasses and fibrous networks.

Bayesian updating of a unified soil compression model

Some amount of differential settlement occurs even in the most uniform soil deposit, but it is extremely difficult to estimate because of the natural heterogeneity of the soil. The compression response of the soil and its variability must be characterised in order to estimate the probability of the differential settlement exceeding a certain threshold value. The work presented in this paper introduces a probabilistic framework to address this issue in a rigorous manner, while preserving the format of a typical geotechnical settlement analysis. In order to avoid dealing with different approaches for each category of soil, a simplified unified compression model is used to characterise the nonlinear compression behavior of soils of varying gradation through a single constitutive law. The Bayesian updating rule is used to incorporate information from three different laboratory datasets in the computation of the statistics (estimates of the means and covariance matrix) of the compression model parameters, as well as of the uncertainty inherent in the model.

MEMS-based mechanical AGC for oscillator circuits

This paper investigates a nonlinear amplitude saturation behavior in an electrostatically transduced, silicon MEMS disk resonator operating in its secondary elliptical bulk-mode (SEBM) at 3.932 MHz towards its implementation as an all-mechanical automatic gain control (AGC) element. The nonlinear vibration behavior of the SEBM mode is experimentally observed in open-loop testing such that above a threshold small signal drive voltage at a given polarization voltage, the vibration amplitude of the SEBM mode saturates. We also study this nonlinearity in an oscillator circuit designed such that the driving power level at the resonator input can be manually tuned as the circuit operates. The measurements of the voltage amplitudes show a clear transition from the linear to the nonlinear saturation region as the driving power is increased. Short-term frequency stability measurements were also conducted for different v ac and the resulting Allan deviation plots show an improvement in the short-term stability from 1.4 ppb in the linear region to 0.4 ppb in the amplitude saturation region. © 2013 IEEE.

Third-order optical nonlinearities of lead-free (Na1-xKx)(0.5)Bi0.5TiO3 thin films

(Na1-xKx)(0.5)Bi0.5TiO3 (NKBT) (x = 0.1, 0.2, and 0.3) thin films with good surface morphology and rhombohedral perovskite structure were fabricated on quartz substrates by a sol-gel process. The fundamental optical constants (the band gaps, linear refractive indices and absorption coefficients) of the films were obtained through optical transmittance measurements. The nonlinear optical properties were investigated by Z-scan technique performed at 532 nm with a picosecond laser. A two-photon absorption effect closely related with potassium-doping content was found in thin films, and the nonlinear refractive index n(2) increases evidently with potassium-doping. The real part of the third-order nonlinear susceptibility chi((3)) is much larger than its imaginary part, indicating that the third-order optical nonlinear response of the NKBT films is dominated by the optical nonlinear refractive behavior. These results show that NKBT thin films have potential applications in nonlinear optics. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Rheological studies on the phase dissolution in a block copolymer

The microphase transition in a styrene-butadiene-styrene triblock copolymer was studied by rheometric mechanical spectroscopy. A high-temperature-melt rheological transition from the highly elastic, nonlinear viscous behavior typical of a multiphase structure to linear viscous behavior with insignificant elasticity typical of a single-phase structure was observed. The transition temperature is determined according to the discontinuity of the rheological properties across the transition region, which agrees well with the results obtained from the small angle X-ray scattering data and the expectation of the random phase approximation theory. Maybe for the first time, microphase dissolution was investigated theologically. The storage modulus (G') and the loss modulus (G '') increase with time during the process. An entanglement fluctuation model based on the segmental density fluctuations is presented to explain the rheological behavior in this dissolution process. (C) 1997 John Wiley & Sons.