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Transferência de calor em regime transiente : modelos analíticos e numéricos

Palavras-chave: Transferência de calor

O principal objectivo deste trabalho é contribuir para o desenvolvimento de formulações analíticas e numéricas aplicáveis à modelação de problemas de transferência de calor, por condução e convecção, em regime transiente. As formulações propostas permitem a análise de sistemas com uma geometria constante ao longo de uma direcção, de forma a, caso se considere que o sistema em análise é sujeito à acção de uma fonte de calor pontual, ser possível calcular o campo 3D do calor através de um somatório de soluções bidimensionais, definidas para uma sequência de números de onda axiais ao longo da direcção em que a geometria do problema se mantém constante. As formulações analíticas permitem o cálculo do campo de calor 2D ou 3 D na presença de inclusões cilíndricas de secção circular e de formações estratificadas compostas por uma sequência de camadas planas e paralelas. Estas soluções são interessantes por serem aplicáveis na resolução de problemas e úteis como soluções de referência em processos de verificação de algoritmos numéricos. As soluções analíticas apresentadas para os sistemas cilíndricos circulares foram, de facto utilizadas na validação dos modelos desenvolvidos, baseados no Método dos Elementos Fronteira (BEM). Demonstrou-se que as soluções fundamentais definidas para sistemas estratificados podem ser úteis no estudo do comportamento térmico de soluções construtivas multicamada tais como paredes, pavimentos ou coberturas. Estas soluções podem ainda ser incorporadas no BEM para resolver problemas envolvendo meios estratificados com heterogeneidades térmicas no seu interior, sem que seja necessário discretizar as interfaces entre as camadas planas que compõem o sistema estratificado. Os modelos baseados no BEM, descritos na presente dissertação, permitem analisar a transferência 3D de calor, em regime transiente, na vizinhança de inclusões cilíndricas de secção irregular e de comprimento infinito, ultrapassar as dificuldades de modelação de corpos bidimensionais de ínfima espessura e resolver problemas com condições iniciais diferentes de zero.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Torção em vigas em caixão de betão de alta resistência

Palavras-chave: Betão estrutural,Betão de alta resistência,Vigas em caixão

Neste trabalho é estudado o comportamento global de vigas em caixão de betão de alta resistência submetidas à torção pura. Para tal, foi desenvolvido um programa de ensaios experimentais. Foram ensaiadas, até à rotura, 20 vigas em caixão submetidas à torção pura. É desenvolvido um modelo teórico com vista a prever o comportamento global à torção pura de vigas de betão armado com secção rectangular (cheia ou oca), de resistência normal ou de alta resistência, com ou sem pré-esforço longitudinal. Os resultados do modelo desenvolvido são confrontados com diversos resultados experimentais resultantes de estudos anteriores e do programa experimental realizado neste trabalho. É feito um estudo específico sobre a ductilidade em torção e sobre a capacidade de rotação plástica em torção para as vigas ensaiadas neste trabalho. Para tal, é definido um índice de ductilidade em torção e é também definido um método de análise que conduz ao desenvolvimento de um parâmetro caracterizador da capacidade de rotação em torção na zona de rotura mediante uma análise plástica global das vigas ensaiadas. Analisa-se e discute-se, de uma forma global, a influência da resistência à compressão do betão, da taxa total de armadura de torção e do nível de pré-esforço longitudinal. É analisado o efeito de um forte desequilíbrio de armaduras correspondente a uma situação de excesso de armadura longitudinal relativamente à armadura transversal. É também analisado o efeito de um reforço transversal exterior concebido por forma a compensar o referido desequilíbrio de armaduras. Os resultados obtidos são analisados e discutidos. Vários resultados experimentais obtidos neste trabalho são confrontados com as previsões de alguns códigos e regulamentos europeus e americanos. São apontadas propostas de alteração principalmente para as vigas de alta resistência.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Fissuração das alvenarias : estudo do comportamento das alvenarias sob acções térmicas

Palavras-chave: Alvenaria,Paredes,Tijolo à vista,Fissuração de Paredes

A fissuração das paredes de alvenaria é um dos defeitos mais frequentes nos edifícios actuais, com graves repercussões no seu desempenho face às exigências de aspecto, conforto, resistência mecânica, estabilidade e estanquidade à água da chuva. Neste trabalho apresenta-se uma síntese das causas principais de fissuração das paredes de alvenaria sem função estrutural e das correspondentes técnicas de prevenção, diagnóstico e reparação. A fissuração das paredes devida às acções térmicas de origem climática é estudada com maior detalhe, descrevendo-se as acções climáticas e as suas repercussões sobre o comportamento mecânico das paredes. Numa segunda fase, caracterizam-se experimentalmente um tipo de tijolo maciço e uma argamassa hidráulica, sob acções mecânicas e termo-higrométricas. Com esses materiais constroem-se provetes de alvenaria que também se ensaiam, registando o seu comportamento com recurso a extensómetros e termopares. A partir da informação bibliográfica e do estudo experimental propõe-se e valida-se um método de cálculo de previsão da 1a. fissuração das paredes de alvenaria sob acções de carácter térmico, com a criação de um programa de cálculo automático, baseado no método dos elementos finitos. Na fase final, utiliza-se o programa criado para aplicar o método de cálculo e avaliar o efeito de diferentes condições de apoio, geometria das paredes e características dos materiais, na evolução do risco de fissuração das alvenarias. Dos resultados obtidos tiram-se conclusões sobre os factores que mais influenciam as paredes de alvenaria não-estrutural sob este ponto de vista e definem-se medidas para a prevenção da fissuração.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Modelação e avaliação estrutural de pontes em arco de alvenaria

Palavras-chave: Detecção de contactos,Geração de malhas,Estimativas de valores próprios,Valores próprios,Colapso estrutural,Discrete element method,Bridges (structures),Masonry, bridges,Detection of contacts,Mesh generation,Estimate of eigenvalues,Eigenvalues,Structural collapse

O método dos elementos discretos baseado em elementos discretos poligonais, inicialmente aplicado ao estudo de maciços rochosos, depressa se adaptou e generalizou a outros estudos, como o das estruturas em alvenaria de edifícios e pontes históricas. Este método é particularmente apropriado à representação de estruturas de carácter predominantemente discreto com elementos discretos poligonais, dispensando, contrariamente ao método dos elementos finitos, a modelação das juntas com outro tipo de elemento. Entre as principais características do método encontra-se a possibilidade dos elementos discretos efectuarem deslocamentos e rotações finitos, separarem-se uns dos outros e estabelecerem novos contactos. As formulações existentes do método dos elementos discretos contemplam modelos constituídos por elementos discretos poligonais, rígidos ou deformáveis, ou por elementos discretos circulares rígidos, quer em 2D quer em 3D. No sentido de alargar a aplicação deste método foi desenvolvido neste trabalho um modelo plano misto de elementos discretos rígidos que associa o elemento discreto poligonal e o elemento discreto circular. Deste modo, é possível efectuar estudos 2D de pontes em arco de alvenaria, simulando o arco e os muros de tímpano com elementos discretos poligonais e o material de enchimento do arco com elementos discretos circulares. Este modelo segue os requisitos clássicos do método dos elementos discretos mas introduz alguns aspectos novos, nomeadamente, a definição de novos tipos de contacto, a adequação do método de detecção de novos contactos, a geração da malha de elementos discretos circulares localizados entre o extradorso do arco e a cota do pavimento, entre outros. O modelo plano desenvolvido permite também a determinação de valores e vectores próprios do sistema constituído pela estrutura e enchimento, sendo os primeiros relevantes para a sua calibração. A aplicação do método misto dos elementos discretos à análise quase estática de estruturas está especialmente vocacionada para o cálculo da carga de colapso, e respectivo modo de colapso, de pontes em arco de alvenaria, sendo apresentado o exemplo de uma aplicação deste tipo.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Aplicabilidade da técnica de deep mixing aos solos moles do Baixo Mondego

Palavras-chave: Solos moles,Estabilização de solos

Ao longo dos últimos 40 anos, a técnica de melhoramento ou estabilização química de solos mediante a sua mistura in situ com materiais que possuem propriedades aglomerantes (técnica designada na literatura inglesa por deep mixing) tem sido aplicada com sucesso numa grande diversidade de materiais, de onde se destacam os depósitos de solos moles. Localizando-se nas proximidades de Coimbra um depósito com estas características, foi decidido avaliar o potencial de aplicação desta tecnologia ao depósito em causa. Para tal, foi elaborado um programa de investigação conducente à caracterização mecânica do solo estabilizado, complementado com a caracterização geotécnica do solo de origem (não estabilizado), tendo-se realizado extensos estudos de campo e laboratoriais. O comportamento global do solo de origem é fundamentalmente determinado pela natureza orgânica, elevado teor em água e pelas fracções silto-arenosas, sendo de destacar a significativa presença de óxidos de sílica e alumina na sua composição química. Estas características, condicionam sobremaneira a estabilização, tendo-se concluído do estudo laboratorial que a mistura que potencia o compromisso técnico-económico-ambiental é composta por cimento Portland I 42,5R e escória granulada de alto forno, aplicada na proporção 75/25 referida à massa seca dos ligantes, numa dosagem compreendida entre os 150 e os 175kg/m3, não devendo ser adicionada água, ou seja, a técnica de deep mixing deve ser aplicada na variante seca. O comportamento mecânico do material assim estabilizado foi objecto de caracterização laboratorial, tendo-se concluído que o mesmo é essencialmente controlado pelas ligações cimentícias entre as partículas sólidas, as quais são responsáveis pelo significativo aumento da resistência e rigidez face ao material não estabilizado. Em termos globais, pode-se dizer que a estabilização pela técnica de deep mixing quando aplicada ao depósito de solos moles do Baixo Mondego origina um novo material, caracterizado por significativas melhorias em termos mecânicos, do qual urge tirar partido das suas vantagens.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Planeamento de Equipamentos Educativos em Cabo Verde

Palavras-chave: Equipamento educativo -- planeamento -- Cabo Verde,Equipamentos colectivos,Localização espacial

Esta tese visa contribuir para o desenvolvimento de modelos de planeamento e gestão de redes de equipamentos educativos mais realistas e operacionais. Entretanto, apresenta modelos de optimização para o problema de localização de equipamentos educativos em Cabo Verde, tendo em consideração que estes modelos quando aplicados aos serviços públicos são importantes, pois racionalizam os recursos disponíveis, beneficiando directamente a população. Geralmente, a localização adequada de equipamentos educativos e a atribuição dos utentes, a este serviço, têm constituído um dos grandes problemas enfrentados pelo sector da educação. Contudo, o desenvolvimento de uma proposta, que maximize a acessibilidade, traduzida na minimização da distância média, que estes utentes percorrem para utilizar esse serviço, é de fundamental importância, pois são serviços de necessidade básica e os seus recursos são normalmente muito escassos. Cabo Verde é um pequeno país africano, considerado emergente, que acaba de ser incluído no grupo de Países do Rendimento Médio. A sua economia está orientada para os serviços e depende quase totalmente do exterior. Tem sido feita uma grande aposta no seu capital humano, investimento na educação como a chave para seu sucesso. Consequentemente, a optimização dos seus recursos educativos é actualmente de grande interesse. Os objectivos dos modelos são a maximização da acessibilidade e a minimização do investimento (garantindo uma boa cobertura). Os modelos do tipo p-mediana foram utilizados e implementados, através dos métodos exactos e do algoritmo de entropia cruzada. Os modelos foram aplicados em dois estudos de caso: para as escolas básicas do município de Santa Cruz e para as escolas secundárias da ilha de Santiago. Ainda, foi concebido um Sistema de Informação para o Planeamento da Educação com o objectivo de integrar num único sistema os recursos necessários à tomada de decisão sobre o planeamento da educação. Os modelos apresentaram soluções óptimas ou muito boas. Em qualquer dos casos, as soluções parecem realistas e podem ser aplicadas à realidade cabo-verdiana. A resolução dos modelos não suscitou problemas em termos de processamento e o tempo computacional foi bastante reduzido.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Caracterização das Propriedades Físicas, Mecânicas e Térmicas de Betões com Incorporação de Cortiça

Palavras-chave: betões,cloretos,argamassas,cortiça,secagem,gelo-degelo,temperatura

A procura de uma maior sustentabilidade tem fomentado o crescente desenvolvimento de novos produtos que promovam o aproveitamento e uma melhor utilização dos resíduos industriais. No que se refere particularmente a betões e argamassas, têm vindo a ser introduzidos diferentes tipos de resíduos que substituem total ou parcialmente os agregados convencionais (areias e britas), conferindo-lhe outras características, quer em termos de resistência mecânica quer em termos de durabilidade. A indústria corticeira em Portugal consome, anualmente, mais de 280 mil toneladas de cortiça. No entanto, verifica-se que uma quantidade apreciável da matéria-prima recebida nas unidades de transformação (20% a 30%) é rejeitada, nomeadamente sob a forma de granulados, pelo que pode revelar se economicamente interessante encontrar utilizações alternativas às actuais para a utilização destes resíduos. O presente trabalho analisa a possibilidade de utilização de granulados de cortiça como agregados na composição de betões e argamassas, sendo utilizados na substituição total ou parcial dos agregados correntes. Pretende-se avaliar a influência da incorporação de cortiça, nas propriedades mecânicas e na durabilidade destes materiais. Para esse efeito, testaram-se diferentes composições, utilizando como agregados dois tipos de grânulos de cortiça: natural e expandida. O efeito da dimensão dos grânulos e a quantidade de cortiça nas misturas foram igualmente analisados. Os resultados obtidos foram comparados com os provenientes de ensaios efectuados sobre um betão corrente. O estudo realizado possui uma importante componente laboratorial, incluindo um número significativo de ensaios. Para além de ensaios normalizados foram concebidos e implementados esquemas de ensaio que permitiram avaliar de tempos de secagem, resistência a ciclos de gelo-degelo, comportamento face a temperaturas elevadas e resistência à penetração de cloretos dos betões.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Betão Autocompactável com Retracção Controlada

Palavras-chave: Betão autocompactável,Retracção do betão

O betão autocompactável apresenta-se actualmente como um material inovador, o qual tem provado possuir um elevado potencial, nas áreas da produtividade, condições de trabalho e até mesmo em matérias resultantes das suas características intrínsecas. Nomeadamente, apresenta propriedades especiais, que justificam a sua preferência em muitas aplicações. No entanto são conhecidos vários casos de comportamento inadequado, devido principalmente ao comportamento deficiente deste material durante o processo de hidratação e secagem. A retracção tem uma importância significativa na concepção, dimensionamento, processo construtivo e comportamento em serviço das estruturas de betão. No entanto, não estão ainda completamente esclarecidos os mecanismos básicos a ela inerentes e a forma como interagem entre si. Os modelos de previsão existentes e exigências normativas específicas não consideram de forma adequada a influência dos factores existentes. Além disso, a possibilidade de utilização de novos materiais limita fortemente a aplicação do conhecimento existente. Nesse sentido, e de modo contribuir para a resolução de uma das principais desvantagens do material betão autocompactável – a sua elevada retracção, foi planeada uma extensa campanha de ensaios em provetes, tendo em vista a avaliação da respectiva retracção. Entre outros materiais ou técnicas foi dada especial importância à utilização de adjuvantes redutores de retracção e adições expansivas. Com base nos resultados obtidos nos ensaios realizados, foi possível avaliar a eficiência da utilização dos materiais testados e estabelecer algumas limitações de utilização. Obtiveram-se melhoramentos significativos nas propriedades estudadas, que permitiram formular algumas perspectivas promissoras sobre desenvolvimentos futuros. Apenas com a utilização de materiais disponíveis no mercado português apresentam-se soluções técnicas satisfatórias em termos melhoramento de comportamento e viabilidade económica.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Classificação e Aplicação Estrutural da Madeira de Secção Circular de Pinheiro Bravo

Palavras-chave: Madeira de pinho bravo,Estruturas de madeira

Este estudo pretende fornecer as bases em termos de métodos de classificação, propriedades mecânicas e ligações para toros de pequeno diâmetro de Pinheiro bravo, de modo a permitir o seu uso em aplicações estruturais. Nesse sentido, foram seleccionadas duas amostras de toros de Pinheiro bravo, representativas da zona Centro e Norte de Portugal. Os toros foram caracterizados visualmente segundo a norma Europeia EN 1310 e ensaiados à flexão e compressão segundo a EN 14251. Foram determinadas experimentalmente a resistência à flexão e a resistência à compressão, bem como o módulo de elasticidade paralelo às fibras e a massa volúmica. As restantes propriedades mecânicas foram inferidas a partir das anteriores segundo a EN 384. São apresentados, igualmente, estudos sobre a influência das singularidades da madeira (características e defeitos) nas propriedades mecânicas do material. É também analisada a determinação experimental do módulo de elasticidade dinâmico bem como o seu uso como parâmetro de previsão da resistência. Ferramentas que permitam a geração de toros virtuais, baseada na distribuição estatística de determinadas características visuais e físicas, e estimar as suas propriedades mecânicas são de grande utilidade na previsão da qualidade da madeira de secção circular de uma floresta. Para este fim foi desenvolvido o algoritmo SIMPOLE (SIMulator of POLEs). Este algoritmo permite a geração da geometria de um toro, bem como as propriedades mecânicas da madeira limpa e a distribuição de nós ao longo do seu comprimento. A geração das características é feita com base em distribuições estatísticas. As propriedades mecânicas dos toros são determinadas de acordo com as normas EN 14251 ou EN 14229, para o caso de ensaio como viga simplesmente apoiada ou viga encastrada, respectivamente. O algoritmo tem como output a resistência à flexão, o módulo de elasticidade e a localização e causa de rotura. O SIMPOLE foi usado na previsão das propriedades mecânicas de duas amostras de madeira de secção circular de Pinheiro bravo. O potencial do algoritmo desenvolvido é discutido com base nos resultados obtidos. A aplicação estrutural deste tipo de elementos depende fortemente das ligações, uma vez que o seu dimensionamento condiciona na maioria dos casos o dimensionamento de toda a estrutura. Assim, a viabilidade e competitividade deste tipo de estrutura estão directamente dependentes do desempenho mecânico das ligações. Neste trabalho foram estudados o comportamento mecânico, força de rotura e rigidez, de três configurações de ligações, usando madeira de secção circular de Pinheiro bravo, segundo a norma EN 26891. As configurações abordadas neste estudo passam pelo i) uso de varões colados ii) uso de uma cavilha como sistema de ancoragem e iii) uso de uma chapa central. Os resultados obtidos são analisados e comparados com os obtidos recorrendo a modelos numéricos, sendo ainda analisada a aplicabilidade dos métodos preconizados no Eurocódigo 5.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Análise do Comportamento a Temperaturas Elevadas de Elementos de Aço Formados a Frio Comprimidos Considerando Restrição ao Alongamento Térmico

Palavras-chave: Aço formado a frio,Elementos comprimidos,Resistência ao fogo,Análise experimental,Análise numérica,Métodos simplificados de cálculo

No presente trabalho se desenvolve como proposta principal, uma investigação experimental sobre o comportamento de elementos de aço formados a frio comprimidos em temperaturas elevadas considerando a influência da restrição ao alongamento térmico. Nessa investigação foram avaliadas as distribuições de temperaturas no contorno da seção transversal e ao longo do comprimento dos elementos. Outrossim, avaliou-se a influência da restrição ao alongamento térmico sobre o comportamento mecânico dos elementos, em especial sobre o desenvolvimento das forças de restrição que surgem durante a fase de aquecimento dos mesmos. Concernente ao comportamento térmico, os resultados indicam que a temperatura resistente de elementos expostos ao calor por todos os lados deve ser determinada com base nas medições realizadas em seções a meia altura do elemento devido à distribuição não uniforme de temperatura ao longo do comprimento. Com relação ao comportamento mecânico, os resultados experimentais mostraram que a resistência pós-crítica em temperaturas elevadas desses elementos é pequena e nesse sentido é mais coerente considerar como temperatura resistente a temperatura correspondente ao momento da perda de estabilidade dos elementos. Em caráter complementar e exploratório foram realizadas análises numéricas para melhorar o entendimento do comportamento em temperaturas elevadas dos elementos de aço formados a frio investigados experimentalmente no presente trabalho. Nas análises numéricas foi avaliada uma estratégia de modelagem em elementos finitos para simular a restrição ao alongamento térmico axial em elementos comprimidos submetidos a temperaturas elevadas. Os resultados apontam que os modelos numéricos foram eficientes para prescrever força de compressão resistente em temperaturas elevadas e o tempo resistente. Por outro lado não foram eficientes para prescrever as temperaturas críticas. No âmbito normativo foram realizadas as avaliações do método de cálculo simplificado proposto na ABNT NBR 14323 (2012) e da possibilidade de adequar o método simplificado de cálculo do EUROCODE 3 parte 1.3 (2006) para o dimensionamento em temperaturas elevadas desses elementos. Os resultados sugerem que o método de cálculo simplificado da ABNT NBR 14323 (2012) foi capaz de fornecer satisfatoriamente a força de compressão resistente dos elementos investigados que se enquadravam nas exigências do método. Outrossim, sugerem que o uso do método simplificado do EUROCODE 3 parte 1.3 (2006) com redução da resistência ao escoamento e módulo de elasticidade do aço para o dimensionamento em temperaturas elevadas de elementos de aço formados a frio carece de mais investigações.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias