Desenvolvimento de modelos numéricos e aplicação da termografia na deteção e caraterização de defeitos em elementos de construção

Palavras-chave: Construção civil,Defeitos da construção -- modelos numéricos,Defeitos em materiais de construção,Termografia de infravermelhos

O adequado desempenho dos materiais, dos elementos e soluções construtivas pode ser afetado pela presença de vazios, fissuras ou defeitos internos. Atualmente, estão disponíveis técnicas não destrutivas (non-destructive techniques - NDT) que permitem caracterizar aspetos específicos dos sistemas construtivos. A NDT mais aplicável à área da Engenharia Civil deverá possibilitar a deteção de defeitos de pequena dimensão com a máxima precisão, e abranger a inspeção de extensas áreas. Dado que a difusão de calor através de um sistema é afetada pelas características dos meios que o compõem e pela eventual existência de defeitos, o uso de técnicas de termografia infravermelha (infrared thermography - IRT) tem-se revelado uma NTD adequada à inspeção preventiva. Na área da Engenharia Civil, a bibliografia evidencia uma predominância de trabalhos de âmbito qualitativo. Os estudos quantitativos, embora sejam desejáveis, caracterizam-se por uma maior complexidade, por dependerem de múltiplas variáveis que afetam a resposta térmica das soluções construtivas. No entanto, a crescente importância da deteção e caracterização de defeitos internos, aliada à evolução das técnicas e equipamentos de IRT, motiva o desenvolvimento e aplicação de ensaios quantitativos. Esta caracterização quantitativa requer um conhecimento profundo dos fenómenos envolvidos e beneficia com o desenvolvimento de modelos de simulação. O principal objetivo desta tese é o desenvolvimento de ferramentas numéricas e modelos experimentais que permitam avaliar a aplicabilidade da técnica IRT na deteção e identificação de defeitos em materiais e elementos de construção (em particular quando os defeitos apresentam uma espessura reduzida). Uma vez que, para concretizar este objetivo, é importante conhecer a transferência de calor no interior de sistemas compostos por meios sólidos e homogéneos que contenham inclusões, o estudo incide no desenvolvimento de formulações analíticas/numéricas que visam a modelação da transferência de calor por condução, em regime transiente. Deste modo, prevê-se que esta tese contemple duas abordagens: uma analítica/numérica e outra experimental. Na componente numérica desenvolvem-se ferramentas para modelar a condução de calor em sistemas complexos, os quais podem conter inclusões finas. Estas formulações são feitas no domínio da frequência, ou seja, após a aplicação de transformadas de Fourier no domínio do tempo, tendo sido verificadas por comparação das suas respostas com soluções de referência, e validadas com base em testes experimentais. Numa primeira fase propôs-se um conjunto de soluções analíticas (nomeadamente funções de Green) para estudar a propagação de calor em sistemas com geometria simples: inclusões cilíndricas circulares e sistemas estratificados compostos por uma sequência de camadas planas e paralelas. Estas soluções analíticas permitem a verificação de soluções numéricas implementadas ao longo do trabalho. Por outro lado, a utilização das adequadas funções de Green permite evitar a discretização de interfaces planas, durante a modelação de sistemas mais complexos. Ainda na componente numérica, foram desenvolvidas formulações numéricas, baseadas no Método dos Elementos de Fronteira (Boundary Element Method - BEM), possibilitando a análise de sistemas que incorporam inclusões de geometria irregular e de espessura muito reduzida. Na modelação deste último caso, a formulação clássica de BEM degenera, pelo que é apresentada uma formulação baseada na derivada da equação integral fronteira (vulgarmente conhecida por TBEM). Nesta tese explora-se, ainda, o recurso ao Método das Soluções Fundamentais (MFS), que combinado com os métodos anteriores permite reduzir significativamente o esforço computacional, sem prejuízo da precisão da resposta. Foi posteriormente realizada a aplicação daqueles modelos numéricos a sistemas que incorporam inclusões finas, tendo-se efetuado também a comparação com os resultados de uma campanha experimental, na qual se utilizou um equipamento de IRT para avaliar o campo de temperaturas à superfície de provetes com defeitos na sua constituição. Após a validação, utilizou-se a ferramenta numérica para avaliar a aplicabilidade da IRT em provetes com diferentes características.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias