FE - DECA | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento
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- An Additive Manufacturing Suitable Methodology for Topology Optimization of Bolted Structural Joints with Cover-plates in Compliance with Structural EurocodesPublication . Ribeiro, Tiago Pinto; Bernardo, Luís Filipe AlmeidaThe current design of steel connections does not meet the possibilities offered for its fabrication by novel Additive Manufacturing (AM) techniques, both due to calculation methods insufficiency and standards limitations. This leads to building structures that are heavier, less economical, and less sustainable than our industrial capacity allows. While AM has been employed for rapid prototyping mostly in automotive, materials design, medical devices and aerospace industries through the past twenty years and Topology Optimization (TO) has gained momentum since the 1990s, the fact is that the lack of a comprehensive set of boundaries and methodology has limited its use to product development, rather than widespread, scalable, safe and standardised use in construction. Currently, while we already have good software for TO, which can assist in developing structural solutions whose added value justifies its production with AM enterprises, there is not a strong link between optimisation, mass fabrication and safety checking. We design to optimise weight, strength, and stiffness, not fully facilitate fabrication, comply with codes or use the best options given by AM. The lack of methodologies and guidelines prevents civil and structural engineering from embracing TO and AM. To address the meagre use of TO in the civil engineering industry, this research programme allowed to develop a methodology which accounts for i) the TO capabilities and software, ii) AM fabrication practical requirements and problems, iii) code requirements, iv) structural safety and performance goals to enable and foster the TO and AM to structural steel joints. Specifically, this was focused on bolted joints with cover plates in steel beams, designed to the current European standards, as joints are essential in steel structures, contributing up to 25% of the global weight and concentrating the complexity in design and, therefore, the industry’s added value. The novel code-compliant methodology was proposed, validated with non-linear Finite Element Analyses (NLFEA) and applied to several parts of a typical bolted joint. Through the research programme, successive methodology developments were made to account for different loading and buckling phenomena. For the cover flange plate under tension, it has been found that a 50% volume reduction is possible by employing linear elastic TO and establishing the non-exceedance of the steel ultimate stress as a criterion. NLFEA showed that if the original joint capacity is to be maintained, the maximum optimisation threshold reduces only 45% of the initial volume. For the cover-plate under compression, the initial volume can be decreased by up to 40% while maintaining the connection’s original capacity and that a 30% volume decrease may be achieved while maintaining the original plate capacity. In both cases, the plate’s ultimate deformation capacity was enhanced. Furthermore, for web plates subjected to shear forces, results show that reducing up to 87.5% of the plate’s initial volume is possible while keeping the connection’s original capacity. Also, it has been found that the initial volume can be reduced up to 20% without affecting the original plate capacity and up to 60% while ensuring that the ultimate plastic displacement is larger than that of the original plate. Further developments allowed employing state-of-the-art optimisation techniques, namely the Non-penalisation Smooth-Edged Material Distribution for Optimising Topology (np-SEMDOT) algorithm and assess both the added value and practicality of using it in the proposed code-compliant methodology, instead of broad-use software packages. Ultimately, laboratory testing was endeavoured to evaluate the numerical investigation results, allowing the validation of the former. Two critical conclusions that emerged from this work are that linear elastic TO could not meet the safety needs and that the introduced validation stage with NLFEA is an essential step, highlighting the novelty and significance of the proposed method. Topologically optimised solutions showed a significant volume and cost reduction, meaningfully contributing to the steel construction decarbonisation goals and leading to joints with more ductile behaviour.
- Análise de Ciclo de Vida de Betão com Agregados Reciclados para Aplicação EstruturalPublication . Bairras, Alexandre Miguel Vaz; Oliveira, Luiz António Pereira deA presente dissertação, “Análise de Ciclo de Vida de Betão com Agregados Reciclados para Aplicação Estrutural”, visa a realização de um estudo efetuado de acordo com a metodologia da Análise de Ciclo de Vida com a aplicação de um software. A industria da construção é conhecida como ambientalmente ineficiente. Sendo o betão um dos materiais mais utilizados na construção, é relevante estudar os impactes ambientais causados pelo seu ciclo de vida, de forma a ser possível implementar estratégias para a diminuição dos impactes ambientais em cada etapa do seu processo de fabrico. Este estudo compara um betão sem agregados reciclados com quatro betões com diversas percentagens de agregados reciclados. Para avaliar o ciclo de vida dos diferentes betões em estudo foi utilizada a metodologia de ACV, seguindo os requisitos das normas NP EN ISO 14040:2008 e NP EN ISO 14044:2010. Para efetuar o cálculo global dos impactes ambientais das várias fases associadas à produção de betão, onde é possível comparar, quantificar e verificar qual o mais vantajoso em termos ambientais ao longo do seu ciclo de vida, foi utilizado o software OpenLCA. A partir dos resultados do estudo é possível afirmar que o aumento de percentagem de agregados reciclados na mistura de betão, apresenta um desempenho ambiental mais favorável.
- Análise de Ciclo de Vida de Coberturas AjardinadasPublication . Alves, Sandra Carolina Cortez; Oliveira, Luiz António Pereira deAs coberturas ajardinadas além de oferecerem mais espaços verdes às cidades também contribuem para uma melhor qualidade de vida, visto a vegetação fazer a renovação do ar. Uma das virtudes deste tipo de cobertura é a sua influência positiva no impacto ambiental. As coberturas ajardinadas podem ser de vários tipos: intensivos, extensivos, semiintensivos ou modulares. Esta dissertação utiliza uma ferramenta de Análise de Ciclo de Vida para analisar o desempenho ambiental de três tipos de coberturas ajardinadas. As coberturas estudadas foram: cobertura extensiva, por ser a mais utilizada em Portugal; cobertura modular GeoGreen, um sistema constituído por uma base geopolimérica, produzida à partir da reciclagem de resíduos das minas da Panasqueira, e uma parte superior constituída por aglomerado de cortiça expandida; e por fim a cobertura modular com caixas em alumínio. A Análise de Ciclo de Vida foi realizada com auxílio do software OpenLCA, que avalia os impactos ambientais associados a um determinado produto, processo de fabrico ou sistema. Esses impactos vão desde a extração do produto até a sua destruição ou deposição em aterro, não esquecendo todas as fases intermédias dos mesmos. Através da análise realizada, verificou-se que o sistema que menos polui o ambiente e menos degasta os recursos existentes é o sistema Geogreen.
- Análise de dados de sinistralidade rodoviária nas zonas em obrasPublication . Trindade, Valdemiro Marques; Santos, Bertha Maria Batista dosAo longo do seu período de vida, as infraestruturas rodoviárias são sujeitas a intervenções de conservação e de reabilitação que têm por objetivo manter determinados padrões de qualidade e segurança. Os locais onde decorrem estas intervenções são denominados de “zonas em obras” e constituem pontos sensíveis da rede em termos de sinistralidade. Nestes locais verificam-se alterações temporárias das condições de circulação oferecidas aos utentes (velocidades de circulação mais baixas, encerramento e/ou estreitamento de vias, manobras adicionais de mudança de via e presença de trabalhadores e equipamentos próximos da zona de circulação, entre outros), exigindo uma atenção especial por parte destes. Tendo em conta as particularidades destas zonas, pretende-se com a presente dissertação identificar os fatores de risco com maior influência na sinistralidade verificada nas zonas em obras da rede rodoviária de Portugal Continental durante o triénio 2013-2015. Os dados utilizados na análise foram fornecidos pela Autoridade Nacional de Segurança Rodoviária (ANSR) e a abordagem usada recorre a uma análise estatística exploratória e ao desenvolvimento de modelos de regressão logística binária por tipo de acidente (atropelamento, despiste simples, colisão traseira e colisão lateral), fator contribuinte (excesso de velocidade, obstáculo imprevisto, desrespeito da sinalização vertical e desrespeito da distância de segurança) e grupo etário dos condutores intervenientes (jovem, adulto e sénior). A interpretação das estimativas obtidas para a razão de chances das variáveis explicativas significativas permitiu identificar que fatores aumentam a probabilidade de ocorrência deste tipo de acidentes para cada modelo considerado. Analisando os resultados obtidos é possível verificar que os fatores “meio urbano”, “circulação em marcha normal” e boas condições de “aderência” e de “luminosidade” apresentaram um impacto positivo num número significativo de modelos (aumentam a probabilidade de ocorrência do acidente). A identificação destes fatores permitirá sustentar a escolha de medidas de segurança a implementar nestas zonas com vista a minimizar o risco de ocorrência de acidentes.
- Análise de Dados de Sinistralidade Rodoviária nas Zonas em Obras com Recurso à Regressão Logística MultinomialPublication . Vieira, Adriana Coelho; Santos, Bertha Maria Batista dosOs locais onde decorrem as ações de construção, manutenção e reabilitação necessárias à conservação dos activos rodoviários, designados de zonas em obras, são pontos sensíveis da rede em termos de sinistralidade, os quais exigem a necessária atenção por parte das agências de transporte em todo mundo. Estes locais são considerados perigosos tanto para os trabalhadores como para o tráfego que os atravessa, já que envolvem o encerramento de vias e desvios do tráfego, variação dos limites de velocidade, congestionamentos do trânsito e distracções. Tendo em conta as particularidades destas zonas, o trabalho proposto tem como objectivo identificar os principais fatores com impacto na gravidade e na natureza de acidentes ocorridos nas zonas em obras, bem como suas consequências. Para atingir esse objectivo será aplicada a técnica estatística de regressão logística multinomial, aos dados de natureza mista oficiais da sinistralidade rodoviária nacional (Portugal - Continental) relativos ao período compreendido entre os anos de 2010 a 2015. Os modelos desenvolvidos, natureza do acidente e tipo de envolvimento, apresentam globalmente alguns fatores contribuintes predominantes como o ambiente urbano, traçado em planta (reta), boas condições de aderência, envolvimento de pesados, conduzir em marcha normal e velocidade excessiva para as condições existente. A identificação destes fatores possibilita a programação das intervenções na rede em ambientes mais seguros, minimizando assim a probabilidade de ocorrência destes acidentes e por consequência, o número de vítimas envolvidas. Esse tipo de análises evidenciam as lacunas críticas existentes no conhecimento das questões de segurança nas zonas em obras, bem como os desafios da abordagem associada à modelação deste tipo de dados.
- Análise de placas de betão pré-esforçado com base no modelo de treliça com amolecimentoPublication . Lyrio, Ana Rita Batisti; Bernardo, Luís Filipe Almeida; Horowitz, BernardoNeste trabalho é estudado o comportamento de placas de betão pré-esforçado solicitados ao corte puro com base no modelo de treliça com amolecimento. Para tal, o Rotating-Angle Softened Truss Model (RA-STM) para placas de betão armado é generalizado com vista a prever o comportamento global de placas de betão pré-esforçado. Para isso, o trabalho apresenta o RA-STM modificado para placas de betão pré-esforçado. O modelo incorpora também novas relações constitutivas para os materiais, baseadas em estudos mais recentes, com o intuito de melhorar a previsão do modelo e estender as suas previsões ao comportamento pós-pico de placas ao corte. Para a validação do modelo proposto, a análise numérica realizada é dividida em duas partes. A primeira incorpora análises paramétricas onde foram estudadas a influência de algumas variáveis de estudo, designadamente: o nível e direção do pré-esforço, a taxa mecânica de armadura ordinária e total, e a resistência do betão. Na segunda parte, o modelo RA-STM modificado com pré-esforço foi validado através de análises comparativas com resultados experimentais disponíveis na literatura existente para placas de betão pré-esforçado sujeitas ao corte. Como procedimento de solução para o RA-STM modificado, em substituição dos procedimentos originais onde a solução é obtida por tentativa e erro, é adotado e implementado um procedimento eficiente que se mostrou apropriado para os objetivos deste trabalho.
- Análise de secções de betão armado com base no modelo de treliça com amolecimentoPublication . Cerquido, Bernardo Miguel Dias; Bernardo, Luís Filipe Almeida; Horowitz, BernardoNeste trabalho é estudado o comportamento de vigas de betão armado solicitadas à torção combinada com flexão, com base no modelo de treliça com amolecimento. Para tal, é utilizado o modelo Combined Action Softened Truss Model (CA-STM) para prever o comportamento global de vigas ensaiadas à combinação de esforços especificada anteriormente e cujos resultados experimentais foram recolhidos na bibliografia consultada. Para isso, tendo em conta que o CA-STM é baseado no modelo Rotating-Angle Softened Truss Model (RA-STM), numa primeira fase é estudado o RA-STM, onde são introduzidas novas relações constitutivas dos materiais, baseadas em estudos mais recentes, com o intuito de melhorar a previsão do modelo e estender as suas previsões ao comportamento pós-pico de painéis ao corte. As alterações introduzidas são validadas com base nos resultados experimentais de 19 painéis de betão armado, ensaiados a um estado de tensão de corte puro e cujos resultados foram recolhidos na bibliografia. Posteriormente, as alterações introduzidas no RA-STM são incorporadas também no CA-STM, sendo validadas através da comparação das previsões deste modelo com os resultados experimentais de 72 vigas de betão armado, recolhidos na literatura, ensaiadas à torção pura e à torção combinada com flexão. Como procedimento de solução para ambos os modelos anteriormente referidos, em substituição dos procedimentos originais, onde a solução é obtida por tentativa e erro, é adotado um procedimento eficiente proposto recentemente e que se mostrou apropriado para os objetivos deste trabalho.
- Análise de soluções para avaliação de assentamentos em estacasPublication . Marques, Jânia Lara Ramos; Gomes, Luís Manuel FerreiraEste trabalho visa abordar a temática dos assentamentos em estacas. Dada a sua importância no conceito das fundações, este assunto tem vindo a ser estudado cada vez mais, no ramo da geotecnia. Tomou-se como alvo de estudo as metodologias existentes na bibliografia geotécnica para avaliar os assentamentos em estacas isoladas. Para integrar este tema inicialmente apresenta-se uma breve exposição sobre a sua importância bem como a forma de classificar as estacas por tipos. Seguidamente apresenta-se de forma sucinta alguns elementos sobre o dimensionamento de estacas, passando-se então a focar o principal tema deste trabalho. Tendo em conta o vasto formulário existente para determinar os assentamentos em estacas isoladas, optou-se por salientar apenas alguns autores, cujas expressões são mais tradicionalmente aplicadas. Após a exposição e explicação das metodologias segue-se a aplicação das mesmas. Para tal estudaram-se alguns exemplos de diferentes tipos de estacas construídas em diferentes tipos de solos. A fim de verificar a veracidade das expressões, compararam-se os diferentes resultados obtidos neste trabalho, através das expressões citadas, com os assentamentos reais obtidos em ensaios de carga em estacas coligidos da literatura geotécnica.
- Análise do comportamento de materiais de revestimento como barreiras de RadãoPublication . Lopes, Marcelo Mineiro; Almeida, Pedro Gabriel de Faria Lapa Barbosa de; Lanzinha, JoãoQuimicamente o radão é um gás nobre e radioativo que não tem cor, cheiro ou sabor, só sendo detetado através de medições. É descendente dos metais radioativos Urânio e Tório, existentes na crusta terrestre e abundantes em rochas e solos das regiões onde predominam minérios radioativos e também muito comuns em terrenos graníticos, como no caso dos distritos de Braga, Vila Real, Porto, Guarda, Viseu e Castelo Branco. O Decreto-Lei nº 118/2013 regulamenta os sistemas energéticos de climatização em edifícios, relativos aos materiais de construção estabelece como valor máximo de radão para casas já construídas, 400 Bq/m3. Este trabalho tem como objetivo analisar o comportamento de materiais de revestimento como barreiras de radão. A parte prática deste trabalho, consiste na medição da quantidade de radão travada por materiais de revestimento utilizados frequentemente na construção civil, tais como, tintas, ladrilhos, madeiras, carpetes e telas. Foram fabricados provetes em acrílico de modo a testar os materiais como barreiras e uns outros provetes para saber qual a produção de radão de cada material. No interior de cada provete foi colocado um detetor passivo CR39 sensível ao radão. Dos revestimentos utilizados, o que reduz mais a concentração de radão foi o flutuante laminado acrílico. Este revestimento consegui-o reduzir em 65,3 % a concentração de radão. Dos provetes de teste chegou-se á conclusão que o acrílico neste caso de 1 cm de espessura reduz em 99,5 % a concentração de radão.
- Análise do nível de serviço em estradas multivias: uma avaliação com recurso à metodologia HCM 2010Publication . Fernandes, João Miguel Machado; Gonçalves, Jorge Humberto Gaspar; Santos, Bertha Maria Batista dosAs redes de autoestradas dos diversos países devem garantir um nível de serviço compatível com a rápida deslocação de veículos, pessoas e bens. Para avaliar a qualidade do serviço prestado por este tipo de infraestruturas rodoviárias é usual recorrer ao método do Transportation Research Board. A versão mais recente desta metodologia de referência mundial, que avalia a qualidade do serviço através da análise das condições de circulação que são oferecidas aos usuários de uma estrada (segurança, facilidade de manobra e velocidades de circulação), é o “Highway Capacity Manual 2010” (HCM 2010). Esta metodologia foi concebida atendendo ao sistema rodoviário americano, no entanto, tem sido adotada por diversos países de todo o mundo, inclusive da União Europeia, como Portugal. A aplicação da metodologia às especificidades próprias da rede de estradas e das características do tráfego português constitui um desafio que deverá ser estudado adequadamente. Assim, o presente estudo tem como objetivo, para além de uma descrição pormenorizada da metodologia para as estradas multivias e a sua adaptação ao sistema internacional de unidades, a aplicação da mesma a um caso de estudo nacional, de forma a avaliar a sua aplicabilidade. Do trabalho desenvolvido foi possível concluir que embora existam algumas diferenças operacionais entre os dois sistemas rodoviários, a metodologia HCM 2010 pode ser aplicada em Portugal. Salienta-se contudo, que várias formulações adotadas por esta metodologia resultam de extensas bases de dados americanas, cuja realidade rodoviária é distinta da europeia, pelo que os resultados obtidos na aplicação da mesma a outras realidades, apesar de representativos, devem ser alvo de uma leitura cuidada.