A partial velocity approach to subcycling structural dynamics

Subcycling, or the use of different timesteps at different nodes, can be an effective way of improving the computational efficiency of explicit transient dynamic structural solutions. The method that has been most widely adopted uses a nodal partition. extending the central difference method, in which small timestep updates are performed interpolating on the displacement at neighbouring large timestep nodes. This approach leads to narrow bands of unstable timesteps or statistical stability. It also can be in error due to lack of momentum conservation on the timestep interface. The author has previously proposed energy conserving algorithms that avoid the first problem of statistical stability. However, these sacrifice accuracy to achieve stability. An approach to conserve momentum on an element interface by adding partial velocities is considered here. Applied to extend the central difference method. this approach is simple. and has accuracy advantages. The method can be programmed by summing impulses of internal forces, evaluated using local element timesteps, in order to predict a velocity change at a node. However, it is still only statistically stable, so an adaptive timestep size is needed to monitor accuracy and to be adjusted if necessary. By replacing the central difference method with the explicit generalized alpha method. it is possible to gain stability by dissipating the high frequency response that leads to stability problems. However. coding the algorithm is less elegant, as the response depends on previous partial accelerations. Extension to implicit integration, is shown to be impractical due to the neglect of remote effects of internal forces acting across a timestep interface. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

A utilização da madeira na construção de edifícios: alternativas às soluções tradicionais

Esta dissertação insere-se num projecto de investigação relacionado com o papel que a madeira apresenta na construção nos tempos de hoje, necessário para obtenção do Mestrado em Engenharia Civil. A madeira apresenta, enquanto material de construção, especificidades únicas: é um material orgânico, ao contrário da pedra, do aço e do betão; é um material combustível, sem que isto implique necessariamente uma baixa resistência ao fogo; é um material tradicional, presente em pavimentos e coberturas de edifícios antigos e é, paradoxalmente, um material novo, adoptado em arrojadas obras de arquitectura contemporânea. Estas características, associadas à necessidade de garantir a sustentabilidade da construção e de conservar e reabilitar o património edificado, tornam essencial o estudo das propriedades mecânicas do material, dos seus processos de degradação química e biológica, dos meios de protecção e do comportamento de elementos estruturais ao fogo. As estruturas em madeira têm tido uma procura crescente no nosso país, revelando-se uma opção interessante, como alternativa a estruturas de aço ou de betão. No entanto, por configurarem ainda soluções estruturais, materiais e processos construtivos pouco comuns entre nós, considera-se que não estão suficientemente divulgados os instrumentos de que podemos e devemos dispor para a garantia da qualidade destas estruturas. É apresentado um estudo de viabilidade económica no âmbito do nosso país, comparando casas em madeira, modulares pré-fabricadas, com casas cuja construção é feita em alvenaria e betão armado, de forma a poder comparar os custos para ambas as soluções construtivas. Para tal, foram realizadas visitas a empresas, fábricas e a obras com o objectivo de entender como funciona o processo de fabrico de uma casa pré-fabricada em madeira.

Tecnologia e gestão das construções de obras portuárias - estudo de caso

Este relatório de estágio aborda as principais tecnologias de construção utilizadas e as metodologias de gestão implementadas na empreitada de “Ampliação do Cais do Terminal XXI - Terminal de Contentores de Sines”. Com o objectivo de fazer enquadramento desta empreitada é apresentado ainda um levantamento das soluções estruturais e processos construtivos mais utilizados, com base nas obras mais relevantes de construção de cais acostáveis de navios em Portugal e em Cabo Verde, recentemente construídas ou ainda em construção. Relativamente à obra em estudo foram analisados em detalhe os processos construtivos, associados a cada uma das actividades, e sistemas de gestão implementados no âmbito do prazo, custos, qualidade, ambiente, segurança e saúde e ainda da exploração dos navios. São ainda descritos os principais conhecimentos adquiridos com o acompanhamento desta obra, decorrentes de dificuldades ocorridas e boas práticas implementadas. As principais fontes de informação, que serviram de base à elaboração deste relatório, foram os projectos, caderno de encargos e documentos gerados em obra, sendo alguns destes documentos de obra elaborados pelo próprio autor. Por fim regista-se a enorme utilidade que este relatório trouxe para o autor, que desta forma registou e sistematizou os conhecimentos adquiridos durante a obra, e espera-se que seja uma boa referência para os engenheiros civis em geral no planeamento e gestão de futuras obras portuárias.

A pré-fabricação em betão em edifícios

No presente trabalho apresenta-se um levantamento com base na literatura especializada, das diversas soluções estruturais em betão pré-fabricado existentes, aplicadas em edifícios correntes, mais especificamente as soluções ao nível dos elementos que as constituem, nomeadamente no que respeita a ligações estruturais dos elementos, com combinações in situ, das estruturas préfabricadas e as moldadas em obra, aproveitando o que de melhor se pode obter de ambas as técnicas, com vista a obter um melhor resultado final. Apesar do setor da construção civil estar em crise, tal como vários outros setores, as empresas de pré-fabricação apresentam soluções que poderão contrariar esta tendência, nomeadamente através da diversificação e flexibilização da sua produção, com inovação, criatividade e elevada qualidade. Num mercado em que a construção de edifícios de raiz sofreu um grande abrandamento, começa a surgir no mercado a necessidade de se reabilitar as construções existentes, nomeadamente nos grandes centros das cidades que foram perdendo população ao longo dos tempos. Esta requalificação do espaço urbano permite o desenvolvimento de soluções estruturais pré-fabricadas, no que respeita à reabilitação dos elementos existentes, quer por justaposição para reforço das estruturas, quer por inserção de elementos novos para efetuar correções. Os baixos custos de mão de obra, equipamentos e estaleiro, assim como a redução dos prazos de construção e entrega ao cliente final, dado que a produção não está dependente das condições existentes in situ para se desenvolver, destacam-se da construção civil tradicional. A produção integral dos elementos pré-fabricados de betão em fábrica tem outras vantagens, entre as quais, um melhor planeamento e controle da segurança, um controle rigoroso de qualidade, a redução dos custos de reparação e manutenção, melhor sustentabilidade com redução da quantidade de resíduos produzidos.

Estudo Paramétrico e desenvolvimento de folha de cálculo para optimização de tabuleiros pré-fabricados de Obras de Arte Correntes

Mestrado em Engenharia Civil - Estruturas

Projeto de estruturas de um edifício

O trabalho a apresentar tem como objetivo a aplicação dos conceitos adquiridos academicamente ao longo de todo o curso em Engenharia Civil num projeto de estruturas de um edifício. Este estudo surge no decorrer de um estágio curricular desenvolvido na empresa Segropol – Sociedade de Engenharia, Projetos e Obras, Lda. A partir das plantas de arquitetura, o projeto foi desenvolvido essencialmente em 4 etapas: conceção estrutural, pré-dimensionamento, validação das soluções estruturais e elaboração de peças desenhadas e pormenores construtivos. Para a definição e obtenção das soluções estruturais de uma estrutura é essencial realizar um enquadramento de toda a regulamentação aplicável, de modo a que todas as disposições associadas à segurança e estabilidade de um edifício sejam cumpridas. A análise e dimensionamento dos elementos foi efetuada com recurso ao programa de cálculo automático CYPE. Apresentando esta empresa vários serviços na área da fiscalização, é abordado neste documento um levantamento de vistorias de um loteamento, agrupando as diferentes anomalias e irregularidades detetadas.

Precast concrete wall-foundation connection. Development of a seismic dissipative connection

Seismic events are a major factor to consider in structural design of buildings in many countries. With the purpose of saving lives, most of the design codes lead to structural solutions that withstand large seismic actions without collapsing, but without taking into account a possible usage of the structures after the earthquake. As a result, it is necessary to consider the time needed to repair/retrofit the damaged structures (i.e. the downtime) since this period of inactivity may result in huge financial implications for the occupants of the buildings. In order to minimise the damages and simplify repair operations, structural solutions with rocking systems and negligible residual displacements have been developed during the last two decades. Systems with precast concrete rocking walls were studied with the aim of investigat- ing suitable and convenient structural alternatives to minimise the damage in case of an earthquake. Experimental, numerical and analytical analyses on post-tensioned solutions, with and without energy dissipation devices, were carried out in this research. The energy dissipation devices were made from steel angles that were further developed during the research. Different solutions for these devices were experimentally tested under cyclic loading and the results are presented. Numerical and analytical work on steel angles was also carried out. Regarding the concrete rocking wall systems, two concrete rocking wall systems were studied: post-tensioned walls and post-tensioned walls with energy dissipation devices. In the latter, the solution was to fix them externally to the wall, allowing their easy replacement after an earthquake. It is shown that the dissipaters are a viable solution for use in precast concrete rocking wall systems. A building case study is presented. The comparison between a traditional monolithic system and a hybrid solution was carried out, allowing the evaluation of the efficiency of the solution that was developed.

Evaluation of seismic vulnerability assessment parameters for portuguese vernacular constructions with nonlinear numerical analysis

Considering that vernacular architecture may bear important lessons on hazard mitigation and that well-constructed examples showing traditional seismic resistant features can present far less vulnerability than expected, this study aims at understanding the resisting mechanisms and seismic behavior of vernacular buildings through detailed finite element modeling and nonlinear static (pushover) analysis. This paper focuses specifically on a type of vernacular rammed earth constructions found in the Portuguese region of Alentejo. Several rammed earth constructions found in the region were selected and studied in terms of dimensions, architectural layout, structural solutions, construction materials and detailing and, as a result, a reference model was built, which intends to be a simplified representative example of these constructions, gathering the most common characteristics. Different parameters that may affect the seismic response of this type of vernacular constructions have been identified and a numerical parametric study was defined aiming at evaluating and quantifying their influence in the seismic behavior of this type of vernacular buildings. This paper is part of an ongoing research which includes the development of a simplified methodology for assessing the seismic vulnerability of vernacular buildings, based on vulnerability index evaluation methods.

Avaliação do potencial económico de implementação da construção em BTC

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Pakkausrakenteenmateriaalinvalinta ja rakennesuunnittelu

Epäherkkien räjähteiden teknologian käyttö mahdollistaa räjähdeturvallisuuden ja sa-malla sotilaallisen suorituskyvyn parantumisen. Suomen Puolustusvoimat päätti IM-teknologian käyttöönotosta vuonna 2004, mikä on edellyttänyt räjähdevalmistajilta tuotteidensa kehitystoimenpiteitä. Yksi osa-alue erään räjähdevalmistajan ajopanostuotteen kehitystyöstä on Exel Oyj:n valmistama panospakkaus, joka pyritään kehittämään uudistuneiden vaatimusten mukaiseksi. Tässä diplomityössä selvitettiin IM-tuotteen vaatimukset ja laadittiin panospakkauksen vaatimusprofiili, jonka perusteella tehtiinkirjallisen selvitys ballistisista materiaaleista. Panospakkauksen rakenneratkaisut perustuivat materiaalinvalintaan, joka toteutettiin ominaisarvovertailulla.Rakenneratkaisuja testattiin sekä ballistisesti että mekaanisilla testausmenetelmillä. Lisäksi testausmenetelmien välille tehtiin korrelaatiovertailuja, joidentulokset ovat lupaavia. Projektin lopputuloksena saatiin kehitettyä Exel Oyj:lle panospakkausratkaisu, jolla voidaan edistää suojattavan tuotteen IM-vaatimusten täyttymistä. Rakenteelle toteutetun lujuusanalyysin perusteella pakkausrakennetta voidaan pitää käyttökohteeseen soveltuvana.

Sellupesurin sisäiset vaiheet erottavien komponenttien kehittäminen

Kilpailukyvyn säilyttämiseen tarvitaan jatkuvaa tuotekehitystä ja kustannusten hallintaa. Tietyssä vaiheessa tuotteen elinkaaressa rakenteeseen on tehtävä suuria muutoksia, jotta tuotteesta aiheutuvat elinkaarikustannukset saadaan alhaisemmiksi, niin valmistus- kuin kunnossapitokustannustenkin osalta. Tämä diplomityö käsittelee sellupesurin sisäisiä vaiheita erottavaa tiiviste-elementtiä ja sen kehittämistä. Työssä on pyritty löytämään uusi, elinkaarikustannuksiltaan alhaisempi ratkaisu entisen rakenteen tilalle. Alkuvaiheessa uudelle ratkaisulle ei asetettu juuri minkäänlaisia rajoitteita. Tällä pyrittiin siihen, että myös kaikista innovatiivisimmatkin ideat tulisivat esille ja huomioiduksi. Uusien rakenneratkaisujen ideoinnissa, vertailussa ja valinnassa hyödynnettiin järjestelmällistä koneensuunnitteluprosessia. Työn tuloksena saatiin kehitettyä uusi, kevyempi ja elinkaarikustannuksiltaan edullisempi rakenne. Uuden rakenteen osien määrä saatiin vähennettyä noin kymmenesosaan verrattuna entiseen rakenteeseen ja elinkaarikustannukset saatiin alenemaan noin 32–35 % materiaalista riippuen. Elinkaarikustannuksista tuotteen valmistuskustannukset materiaaleineen pienenivät noin 23–25 % ja kunnossapitokustannukset noin 46–52 %.

Ristikkotorniprojektin jälkiseuranta sekä valmistus-, kuljetus- ja asennusnäkökohdat massiivisen tornin suunnittelussa

Tässä työssä tutkittiin jälkiseurantana putkipalkkirakenteisen ristikkotornin rakennusprojektia. Tutkimuksen kohteena oli suomalaiselle öljynjalostamolle vuonna 1992 rakennettu vapaastiseisova 105 m korkea soihtutorni. Työn tarkoituksena oli tutkia teräsrakennekokonaisuutta toisaalta suunnittelun ja lujuuslaskennan, toisaalta valmistuksen, kuljetuksen ja asennuksen kannalta. Lisäksi työssä etsittiin soihtutornin vaihtoehtoisia rakenneratkaisuja. Esisuunnittelun tuloksena syntyneitä rakenteita verrattiin vuonna 1992 toteutettuun rakenteeseen. Toteutetun ristikkomaston lujuusominaisuuksia arvioitiin käymällä läpi tehdyt lujuuslaskelmat ja selvittämällä mm. rakenteen eri kohdista mitoituksen tasaisuus. Havaittiin, että rakenteen lujuuden käyttöaste vaihteli 0,7:n ja 0,9:n välillä 72 m:n korkeuteen asti. Tästä ylöspäin käyttöasteet olivat pienempiä. Konepajavalmistuksen, kuljetusten ja asennustöiden onnistumista tutkittiin haastattelemalla sekä konepajan että tilaajan edustajia. Ylöspäin kapeneva rakenne osoittautui lujuusopillisesti järkeväksi, mutta valmistusteknisesti vanhanaikaiseksi. Massiivisten ristikkotornien kuljetus- ja nostomahdollisuuksia tutkittiin selvittämällä lainsäädännön asettamat rajoitukset ja käsikirjojen antamat ohjeet. Lisäksi haastateltiin erikoiskuljetuksia ja -nostoja suorittavan yrityksen edustajaa. Uusien rakenneratkaisujen suunnittelussa korostettiin pitkälle vietyä osavalmistusta sekä kuljetus- ja nostomahdollisuuksia. Uusista tornivaihtoehdoista tutkittiin tarkemmin massiivisista pyöreistä putkipalkeista tehty torni, joka on rakenteeltaan Vierendeel-kehän sovellutus. Rakenne on 62 % painavampi kuin vuonna 1992 toteutettu soihtutorni, mutta silti 9 % halvempi. Uuden rakenteen valmistusystävällisyys on merkittävästi parempi kuin vanhan.

Hydrodynamics and Heat Transfer in an Airlift Reactor

Työn teoriaosassa esitetään kirjallisuudessa esiintyviä teoreettisia ja kokeellisia yhtälöitä nesteen nopeuden, kaasun tilavuusosuuden, painehäviön ja lämmönsiirron laskemiseksi. Lisäksi käsitellään airlift-reaktoreiden toimintaa, rakennetta ja teollisia sovelluksia, sekä sekoitusta ja geometrian vaikutusta airlift-reaktoreiden hydrodynaamisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa kuvataan käytetty koelaitteisto ja mittausmenetelmät sekä esitetään saadut koetulokset. Koelaitteisto on viidellä nousuputkella varustettu ulkoisen kierron airlift-reaktori. Kokeellisessa osassa pyritään ratkaisemaan tällaisessa reaktorissa mahdollisesti esiintyviä ongelmia, kuten "slug flown" muodostuminen nousuputkissa sekä fluidien epätasainen jakautuminen nousuputkiin. Lisäksi tutkitaan erilaisten muuttujien, kuten kaasun tilavuusvirran, nesteen viskositeetin, suutinkoon ja nesteen jakoputken rakenteen, vaikutusta kaasun tilavuusosuuteen ja nesteen nopeuteen nousuputkissa. Nesteen nopeudet mitataan merkkiainemenetelmällä ja kaasun tilavuusosuudet manometrimenetelmällä. Lämmönsiirtoa tutkitaan mittaamalla lämpötilaeroja nousuputkissa NiCr-Ni –termoelementeillä. Mittaustulosten perusteella muokataan korrelaatiot kaasun tilavuusosuudelle ja nesteen tyhjäputkinopeudelle. Korrelaatioista lasketut tulokset sopivat kohtuullisen hyvin yhteen mitattujen tulosten kanssa. "Slug flown" ei todettu muodostuvan ongelmaksi 2.5 mPa s pienemmillä viskositeetin arvoilla 2 metriä pitkissä ja 19 mm halkaisijaltaan olevissa putkissa. Lisäksi todettiin, että kaasu- ja nestefaasien jakautumisongelmat voidaan ratkaista rakenteellisesti.

Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja niiden hallinta alumiiniveneiden rakenteissa

Alumiiniveneissä hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat usein erittäin haitallisia, koska niiden aiheuttamat mittamuutokset ja ulkonäölliset haitat alentavat tuotteen laatua sekä arvoa. Monissa tapauksissa myös hitsausliitoksen suorituskyky heikentyy ja lisäksi hitsausmuodonmuutokset voivat aiheuttaa toiminnallisia ongelmia alumiiniveneiden runkorakenteisiin. Tästä johtuen hitsausmuodonmuutosten hallinta ja minimointi ovat erityisen tärkeitä tekijöitä pyrittäessä parantamaan alumiiniveneiden laatua ja kustannustehokkuutta sekä kasvattamaan alumiinivenealan kilpailukykyä. Tässä diplomityössä tutkittiin robotisoidun kaasukaarihitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia sekä niiden hallintaa alumiinista valmistettujen työ- ja huviveneiden runkorakenteissa. Työssä perehdyttiin nykyaikaiseen alumiinivenevalmistukseen sekä hitsattujen rakenteiden yleisiin lujuusopin teorioihin ja käyttäytymismalleihin. Alumiinin hitsausmuodonmuutosten tutkimuksissa suoritettiin käytännön hitsauskokeita, joiden kohteina olivat alumiiniveneissä käytetyt rakenneratkaisut ja liitostyypit. Työn tavoitteena oli määrittää alumiinin hitsauksessa syntyviin muodonmuutoksiin keskeisesti vaikuttavia tekijöitä ja parametreja. Tutkimustulosten perusteella pyrittiin esittämään ratkaisuja alumiiniveneiden rakenteisiin aiheutuvien hitsausmuodonmuutosten vähentämiseksi ja hallitsemiseksi. Alumiinirakenteissa hitsausmuodonmuutokset ovat hyvin tapauskohtaisia, koska usein niiden syntyminen määräytyy monen tekijän yhteisvaikutuksesta. Teräsrakenteille käytetyt yleiset analyyttiset laskentakaavat ja käyttäytymismallit eivät sovellu suoraan alumiinirakenteille, mikä johtuu alumiinin erilaisista materiaaliominaisuuksista ja käyttäytymisestä hitsauksen aikana. Tulevaisuudessa empiiristen koejärjestelyiden ja analyyttisten mallien lisäksi sovellettavan numeerisen elementtimenetelmän avulla voidaan parantaa alumiinin hitsauksessa aiheutuvien muodonmuutosten kokonaisvaltaista hallintaa.

Kantavan modulaarisen kehikkorakenteen suunnittelu optimoiduksi tuotteeksi

Diplomityössä tavoitteena oli suunnitella kantava modulaarinen kehikkorakenne, joka soveltuu käytettäväksi erilaisissa tasoratkaisuissa. Suunnittelumetodina käytettiin järjestelmällistä tuotesuunnittelua. Rakenteen tuli olla modulaarinen, valmistettavissa laserleikkaamalla ja toteutettu ruuviliitoksilla. Lisäksi kehikkorakenteen suunnittelussa pyrittiin optimaalisimpaan ratkaisuun niin teknisen kuin taloudellisenkin toteutuksen kannalta. Premekon Oy investoi vuonna 2009 laserleikkuukeskukseen, jossa pystytään leikkaamaan levyjä ja palkkeja. Yhdessä oikeanlaisen tuotesuunnittelun kanssa laserleikkuukeskuksella pystytään valmistamaan tuotteita suurella tuotantotehokkuudella. Kantavan modulaarisen kehikkorakenteen kehittäminen mahdollisti laserleikkuun aiempaa tehokkaamman hyödyntämisen. Työssä tarkasteltiin yksityiskohtaisemmin erilaisten profiilien soveltuvuutta laserleikattavaksi, osien muotoilua, liitosten yhteensopivuutta ja lujuutta.