[pt] Este trabalho apresenta uma nova técnica para análise de tensões em modelos fotoelásticos planos. Essa técnica baseia-se na determinação de coeficientes para funções de tensão aproximadas, através da coleta dos dados extraídos de ordens de franjas isocromáticas e de condições de contorno de modelos fotoelásticos planos. O modelo tem como vantagens a determinação de fatores de concentração de tensões com boa precisão, além de permitir a separação de tensões em pequenas ou grandes regiões de modelos fotoelásticos planos, sem requerer a leitura de franjas isoclínicas. Uma outra grande vantagem está na possibilidade imediata de acoplamento desse método com um analisador de imagens para determinação automática de Kt. Foram encontrados excelentes resultados em problemas onde haviam concentradores de tensão e no estudo de regiões próximas a cargas concentradas. A determinação dos coeficientes das funções foi feita através de um programa escrito em BASIC, que utiliza o método de Newton-Raphson em conjunto com o ajuste dos dados por mínimos quadrados. Vários exemplos foram estudados com o objetivo de avaliar sua performance. Entre eles estão: carga concentrada sobre uma superfície semi-infinita; placa infinita e finita com futo circular sujeita à tração; disco circular submetidos à cargas diametrais compressivas; viga reta carregada à tração constante e a momento constante; e barra com duplo entalhe em U submetida a momento constante. / [en] This work presents a new technique for improving stress analysis in photoelastic plane models. This technique is based on the determination of coefficients of approximated stress functions through the collection of isochromatic fringe data, and by the applications of boundary conditions to photoelastic plane models. The technique has as advantages the accurate determination of stress concentration factors and the stress without the need for collecting isoclinic fringe data. Another great advantage, is the immediate use of this method coupled with an image analyzer device for automatic extraction of Kt. Excellent results were found in problems where stress concentration or concentrated loading were present. The coefficients of the stress functions were determined by a BASIC program, using a Newton-Raphson technique coupled to a least square algorithm. Many example were tested to evaluate its performance. Among them are: concentrated force at a point of a straight boundary; infinite and finite plate with circular holes subjected to uniaxial tensile loads; circular disk under compressive diametral forces; bar subjected to pure tensile and pure bending loads; and a double U-notched bar under pure bending.

[pt] Este trabalho tem como finalidade a apresentação de um método novo e eficiente para a análise e separação de tensões em materiais compostos (conjugados). O método híbrido consiste no acoplamento da lei ótica para materiais ortotrópicos com as equações de compatibilidade e equilíbrio para corpos anisotrópicos. As soluções destas equações são representadas por funções analíticas de variáveis complexas. O método propõe que se aproximem as funções analíticas por funções polinomiais. Estas funções aproximadas são determinadas através do acoplamento das equações de equilíbrio e compatibilidade com dados experimentais, obtidos da resposta fotoelástica, e com métodos numéricos (Newton-Raphson e mínimos quadrados), possibilitando a determinação dos coeficientes integrantes das funções polinomiais. O método apresenta como principal vantagem a capacidade de separar as tensões, com precisão, em pequenas ou mesmo em grandes regiões de modelos fotoelásticos planos, sem requerer a leitura de franjas isoclínicas. São apresentados excelentes resultados obtidos com a aplicação do método desenvolvido em alguns casos específicos, envolvendo um material composto por uma matriz de resina reforçada por fibras de vidro com arranjo unidirecional. Três casos são objetos de estudo: A) Barra retangular submetida à tração, com a direção do reforço paralela a direção da carga aplicada. B) Barra retangular submetida à tração. com direção do reforço fazendo um ângulo qualquer com a direção da carga aplicada. C) Plano semi-infinito submetido à carga concentrada atuando perpendicularmente à direção do reforço. / [en] The objective of this paper is to present a new and efficient method to analyse and separate stresses in composite materials. The hybrid method associates the stress-optic law for orthotropic materials with the compatibility and equlibrium equations for anisotropic bodies. The solutions of these equatios are represented by analytical functions of complex variables. The method proposes that these analytical functions be approximate by polynomial functions. These aapproximate functions are determined by the association of the compatibility equilibrium equatios with experimental data (obtained from the photoelastic response) and numerical methods (Newton-Raphson and least squares method). The method presents as a major advantage the capacity to separate stresses precisely in small or even in large regions of photoelastic plane models, without needign to collect isoclinic fringe data. The thesis presents excellent results obtained by the application of the developed method in some specific cases, where a fiber glass reinforced epoxy resin is used as a model material, will be shown. Three cases are studied: A) Rectangular bar in tension with the fiber reinforcement axis parallel to the applied load direction B) Rectangular bar in tension with the fiber reinforcement axis making a known angle with the applied load direction C) Semi-infinite plane subjected to a concentrated edge load which is perpendicular to the fiber reinforcement axis.

[pt] Um dos principais problemas no funcionamento de oleodutos submarinos que transportam óleos parafínicos é o reinício do escoamento depois de longas paradas na produção. Durante o percurso desde o reservatório até a plataforma, o óleo (que sai a elevadas temperaturas), é submetido a uma queda brusca de temperatura em função da troca de calor com o leito do mar. Este fenômeno é acelerado em paradas de produção. O resfriamento faz com que as moléculas de parafina se precipitem, formando um gel que pode bloquear totalmente a linha. Nestas condições, para o reinício do escoamento pode ser necessária uma pressão bem maior do que a pressão de funcionamento normal do duto. Assim, é fundamental o conhecimento da pressão mínima necessária ao reinício do escoamento, para permitir a determinação da potência das bombas do oleoduto. Sabe-se da literatura que o comportamento viscoplástico é a principal característica reológica do óleo parafínico a baixa temperatura. Neste trabalho estudamos o reinício de escoamento utilizando um material viscoplástico ideal, a saber, soluções aquosas de Carbopol. As soluções de Carbopol foram caracterizadas reologicamente, e as curvas de escoamento medidas foram ajustadas utilizando a função viscosidade de Herschel-Bulkley. Testes preliminares de validação acusaram a presença de deslizamento na parede do tubo (inicialmente de aço inox), o que levouà troca para um tubo de resina poliester com a parede interna roscada. Testes de validação com um óleo newtoniano mostraram excelente concordância com a solução analítica (Hagen-Poiseuille). Resultados numéricos foram obtidos usando as funções viscosidade determinadas nos testes de reometria, e confrontados com os resultados experimentais obtidos com as soluções de Carbopol. / [en] On of the main problems in the operation of subsea pipelines that convey paraffin oils is the flow startup after long stoppages. Along the path from the reservoir to the platform, the oil experiences significant heat losses, especially to the low-temperature water at the sea bottom. When there is no flow, the oil may reach very low temperatures. Cooling induces wax precipitation and hence gelification of the oil, which may cause blockage of the pipeline. Under these circumstances, pressures much higher than the usual ones may be needed to cause the flow to restart. The knowledge of the minimum pressure level that causes flow after prolonged stoppages is an important piece of information that is needed in the specification of the pipeline pumps. It is known from the literature that the viscoplastic behavior is the main rheological characteristic of gelled oils. In this work we analyzed the flow startup using an ideal viscoplastic material, namely, aqueous Carbopol solutions. These solutions were rheologically characterized, and the measured flow curves were fitted to the Herschel-Bulkley rheological function. Preliminary validation tests unveiled the presence of wall slip at the stainless steel tube wall. For this reason, a different tube was employed, whose material was a polyester resin and whose inner tube wall was roughened. Validation test results for a Newtonian oil were in excellent agreement with the analytical solution (Hagen-Poiseuille). Numerical results were obtained using the viscosity functions determined from the rheological measurements, and confronted with the experimental results for the Carbopol solutions.

[pt] Escoamentos de fluidos viscoplásticos através de expansões e contrações são encontrados em diversos processos industriais. Neste trabalho é feita a simulação numérica do escoamento de um fluido viscoplástico através de uma expansão abrupta axisimétrica seguida de uma contração. Resultados experimentais mostram que em certas condições para este tipo de escoamento pode surgir uma região estacionária do fluido, causado uma fratura do material entre esta região e a região de escoamento. Um dos objetivos deste trabalho é verificar se o modelo constitutivo usado na simulação numérica pode prever este tipo de comportamento. Outro objetivo é investigar os efeitos dos parâmetros geométricos e reológicos nos padrões de escoamento. A solução numérica das equações de conservação de massa e quantidade de movimento é obtida usando o método de volumes finitos. Para modelar o comportamento não Newtoniano do fluido, é utilizada a equação constitutiva de Fluido Newtoniano Generalizado. Duas diferentes equações são utilizadas para a função viscosidade: o modelo de Carreau-Yasuda e o modelo de Herschel-Bulkley. A solução numérica fornece os campos de velocidade, viscosidade e pressão. Observa-se que existe uma transição no padrão de escoamento quando o comprimento do duto central (que é o de maior diâmetro) aumenta. Para baixos valores da razão entre o comprimento e o diâmetro do duto central, o material viscoplástico parece fraturar perto da região central do escoamento. Para valores maiores desta mesma razão, o padrão de escoamento dos materiais viscoplásticos tem o mesmo comportamento qualitativo ao de um fluido Newtoniano, não sendo observado nenhuma fratura. / [en] Flow of viscoplastic fluids through expansions and contractions are found in several industrial processes. In this work, a numerical simulation of a viscoplastic fluid flow through a sudden axysimetric expansion followed by a contraction is performed. Experimental results show that under certain conditions, for this kind of flow a stagnant flow region may appear in certain conditions, causing a material fracture between this region and the flow region. One of the goals of this work is to verify if the constitutive model used in the numerical simulation can predict this kind of behavior. The effects of rheological and geometrical parameters on flow patterns are also investigated. The numerical solution of conservation equations of mass and momentum is obtained via finite volume method. In order to model the non-Newtonian behavior of the fluid, it is used the Generalized Newtonian Fluid constitutive equation. Two different equations for the viscosity function are used: the Carreau-Yasuda model and the Herschel-Bulkley model. The numerical solution gives the velocity, viscosity and pressure fields. It is observed that there is a flow pattern transition as the length of the central duct (which is the one with larger diameter) is increased. For low values of the ratio between the length and diameter of the central duct, the viscoplastic material seems to fracture near the core region of the flow. For larger values of the same ratio, the viscoplastic materials flow pattern has the same qualitative behavior of that one that occurs for Newtonian fluids, and no fracture is observed.

[pt] Este trabalho procura estudar materiais compostos constituídos por uma matriz de resina poliéster reforçada por fibras de vidro, com propriedades de ortotropia, transparência e birrefringência, através do desenvolvimento de métodos apropriados para a sua obtenção e sua caracterização mecânica e ótica. O material foi obtido a partir de um tipo de fibra de vidro disponível no mercado nacional: fio Roving 374, da Ocfibras, que serviu de reforço à resina poliéster Crystic 199PA rígida, comercializada pela Leo Glass, que constituiu a matriz. O material desenvolvido teve ambos comportamentos mecânico e ótico estudados através de diversos modelos sujeitos a estados uniaxiais e biaxiais de tensões. A discussão dos resultados obtidos e do método de análise experimental empregado, conhecido como foto elasticidade ortotrópica, levou à conclusão que este método pode ser aplicado com uma precisão razoável (mais ou menos 20 por cento), a despeito das dificuldades relativas à interpretação da resposta ótica do material, que depende da transparência do mesmo e da existência de baixas tensões residuais elásticas. / [en] The present work aims to study composite materials, more precisely, certain type of reinforced fiberglass polyester resin with orthotropic, birefringent and transparency properties, through the development of appropriate methods for its mechanical and optical characterization. A kind fiberglass available on the Brazilian market was used: roving 374, (by Ocfibras) which was combines with crystic 199 P.A rigid resin matrix (by Leo Glass). Both mechanical and optical behaviors were studied through several models subjected to uniaxial and biaxial states of stress. The discussion of the results and of the experimental methods used leaded to the conclusion that this method reached good resolution – of a maximum of 20 per cent – in spite of difficulties reached in interpreting the optical response this is a function of both material’s transparency and residual elastic stresses.

[pt] O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um material foto elástico, utilizando matéria-prima exclusivamente brasileira, para o emprego na análise das tensões em ensaio tridimensional. As experiências foram feitas com as resinas epóxi CY-205 e CY-175. Como endurecedores foram utulizados os produtos HY-901 (anidrido ftálico) e HT-906 (anidrido metilendometilene), todos da Ciba S/A, e ainda o endurecedor anidrido maleico produzido pela Ucebel S/A. Foram fundidos diferentes partes em peso desses componentes, resina epóxi-endurecedor e descritos o método de fundição como também o de tratamento térmico. Algumas propriedades foram inicialmente consideradas para a seleção da melhor composição. O material feito de epoxi CY-205 com a combinação dos endurecedores anidridos maleico e ftálico são apresentados como sendo o melhor. Os polímeros resultanes são feitos usando diferentes partes em peso desses endurecedores combinados e são traçados nomogramas de suas temperaturas críticas e módulos de elasticidade a essa temperatura, para determinar a composição ideal. Foi determinado o gelling time dos materiais selecionados. A aplicação desse material desenvolvido é adequada para análise tridimensional. Um modelo foi construído para ilustrar sua utilização, usando uma técnica especial de modelagem. / [en] The presentes work describes the development of the photoeslastical material for two and three-dimensional experiments. The model material hás been developed using the epoxy resin manufactured in BRAZIL. Two kinds of epoxy resins hás been used: CY-205 and CY-175, both produced by Ciba S/A, together with the hardeners HY-901 (phtalic anhydrid and HT-906 (metilendometylen anhydrid)) of Ciba S/A and maleic anhydrid, manufactured by Ucebel S/A. The different mixtures of epoxy resins and hardeners have been casted into samples and investigated with respect the properties essential in photoelasticity. The method of casting and heat treatment is also described. The misture of epoxy CY-205 with the combination of phtalic and maleic anhydrides hás been founs to have the Best photoelastical properties. The monogram indicating the mechanical proprieties as a functio of combination of hardeners hás been design. If casn be used for determination of proper combination of hardeners related to the desired mechanical properties or for determination of optimum composition. The application of the developed material in three-dimensional photoelasticity hás been illustrated by casting the complicated three-dimensional model.

[pt] Nesta dissertação foram desenvolvidos elementos estruturais passíveis de industrialização, utilizando o bambu como matéria prima principal, dando prosseguimento às pesquisas desenvolvidas pelo grupo de Materiais e Tecnologias Não Convencionais nesta Instituição, desde o final da década de 1970. Foram elaborados nós em bambu laminado contraplacado e ponteiras em material compósito polimérico, manufaturado com resíduo particulado proveniente da laminação do bambu Dendrocalamus giganteus. Foram ainda estudados colmos da espécie Phyllostachys aurea reforçados por toda a sua extensão com sisal trefilado embebido em poliéster. Estes componentes são destinados fundamentalmente à construção de treliças espaciais, retilíneas ou arqueadas, do tipo grelha em múltiplas camadas, aliando sustentabilidade e variabilidade formal para projetos de coberturas. Mediante pequenas adaptações, estes elementos podem ainda encontrar uso em outros tipos de estrutura como domos geodésicos, tensegritys e treliças planas, de caráter temporário ou permanente. A partir da análise experimental de materiais e componentes e de dados obtidos em literatura específica estudaram-se, os esforços solicitantes e deslocamentos desenvolvidos em diferentes geometrias de estruturas, via modelagem em programa comercial de elementos finitos, obtendo-se vãos livres de até 12m e áreas cobertas sobre 4 apoios com capitéis de até 324 metros quadrados com vão livre de 9m e balanços de 4,5m, elaboradas utilizando estes elementos. Os procedimentos desenvolvidos foram satisfatórios, permitindo a execução de elementos passíveis de industrialização e estocagem, de aplicação versátil e com acabamento variado, favorecendo a convencionalização do uso do bambu como material de construção. / [en] The research on non conventional materials and technologies has been carried out at the Civil Engineering Department of PUC-Rio since 1979, in order to stimulate its use in civil construction, reducing the pollution and the energy consumption provoked by industrialized materials such as steel and cement. To disseminate the application of the non-conventional materials and technologies (NOCMAT) in a very large scale, it is necessary to develop industrial methods to process them, ensuring high production with quality and durability. As a continuation of this line of research, the present study is concerned with the development of structural elements designed for space structures, using bamboo as the main material. For this purpose the bamboo Dendrocalamus giganteus, has been selected to prepare laminated composite for the joints. In turn, using its plaining residuals as an addition to a polyester matrix composite. This was molded as a conical capped connection designed and produced to provide safe links between the joints and the bar of the space truss elements. For the latter the Phyllostachys aurea bamboo transversally reinforced with a polyester treated sisal string along its entire length. These components were used to assemble plain or arched multiple layers space structures, binding sustainability and formal freedom to roof structures design. The load-displacement for different structural geometries were evaluated, using a commercial FEM software, based on the experimental data from this work and the available literature, presented 12m maximum free spans and 324 square meters covered area supported by four columns. The developed procedures were satisfactory, allowing the production of industrial processed elements, easy storage, different finishing and versatile application.

[pt] Materiais viscoplásticos, os quais apresentam tensão limite de escoamento, podem ser encontrados em vários processos naturais e em diversas indústrias, tais como: alimentícia, de cosméticos, farmacêutica e do petróleo. Nessas indústrias o conhecimento preciso das propriedades reológicas dos materiais viscoplásticos e do comportamento desses materiais em diferentes escoamentos é fundamental para o sucesso de várias operações. Todavia, a reometria desse tipo de material ainda apresenta alguns desafios como as medidas de tensão limite de escoamento, deslizamento aparente, tixotropia e a quebra da microestrutura na colocação da amostra no reômetro. Alémm disso, existe o fato de que até hoje alguns fenômenos em diferentes escoamentos envolvendo materiais viscoplásticos ainda permanecem não tão bem compreendidos, o que requer uma investigação mais profunda. Nesse trabalho, uma abordagem dos materiais que apresentam comportamento viscoplástico, dos métodos utilizados para as medições de suas propriedades reológicas e do comportamento desses materiais em diferentes tipos de escoamento é realizada. Além disso, é executada uma análise detalhada de escoamentos, tais como: viscométricos, através de expansões-contrações, envolvendo deslocamentos em tubos capilares e de escoamentos envolvendo deslocamentos em poços de petróleo. / [en] Viscoplastic or yield stress materials are found in a lot of natural processes, and in a wide variety of industries such as food, cosmetic, farmaceutical and petroleum. In these industries, knowing the accurate rheological properties of a viscoplastic material and its behavior in different flows are fundamental for the success of many operations. Nevertheless, the rheometry of this kind of material still presents some challenges, such as yield stress measurements, apparent wall slip, thixotropy and the breakdown of structure on loading the material into the rheometer geometry used. In addition to that, until now some phenomena in different flows involving viscoplastic materials are not well understood, and therefore more investigation is required. This thesis deals with viscoplastic materials, their rheological properties measurements, and their behavior in different kinds of flow. Moreover, a detailed analysis of flows such as viscometric, expansions-contractions, the displacements in capillary tubes, and the displacements inside oil wells was performed.

[pt] O aproveitamento sustentável do ouriço da castanha do brasil em materiais compósitos constitui a questão principal desta dissertação. A castanha do brasil é um fruto típico de grande representatividade cultural e econômica para a região amazônica e durante a sua extração há o descarte em abundância do invólucro lenhoso denominado ouriço. Este trabalho adotou metodologia experimental e está dividido em duas etapas. A primeira é a fase informativa constituída pela investigação dos conceitos de fundamentação sobre sustentabilidade, design e ciência dos materiais. A segunda descreve todo o processo de desenvolvimento do eco-compósito a partir do reaproveitamento do ouriço com resina vegetal. É apresentado desde a preparação dos experimentos á realização dos ensaios, como o de abrasão, cujo resultado indicou viabilidade técnica para aplicação do material em piso, já que o mesmo apresentou boa resistência à desgastes por atrito. As investigações realizadas contribuem para o aperfeiçoamento e adequação de tecnologia artesanal de fabricação, visando possibilitar a transferência desse conhecimento para comunidades ribeirinhas futuramente e contribuir para valorização desse produto da sociobiodiversidade. / [en] The sustainable use hedgehog chestnut Brazil in composite materials is the main issue of this thesis. The Brazil nut is a typical fruit of great economic and cultural representation to the Amazon region and during extraction for disposal in plenty of hard shell called hedgehog. This study adopted experimental methodology and is divided into two stages. The first phase is constituted by informative investigation of the concepts of reasoning on sustainability, design and materials science. The second describes the process of developing the eco-composite from resin-reused hedgehog plant. It appears from the preparation of experiments will perform the tests , such as abrasion , which results indicated the technical feasibility for application of the material in the ground, since it showed good resistance to chafing. The investigations contribute to the improvement and adaptation of technology artisanal manufacturing, aiming to make possible the transfer of this knowledge to future riverine communities and contribute to the enhancement of the product sociobiodiversity.

[pt] O presente trabalho apresenta a comparação da reatividade ao CO2 de Carvões Minerais, de Biomassas e Coques. Os ensaios realizados foram feitos empregando pastilhas de forma cilíndrica, tanto para materiais sem desvolatilização e desvolatilizados e sob uma temperatura de 1100 graus Celsius. É apresentado um breve histórico das matérias primas carbonosas e seus comportamentos com respeito à reatividade. Os experimentos de reatividade foram realizados em Forno elétrico tubular e em Termobalança, enquanto que as análises da porosidade foram realizadas no MEV. Os resultados mostraram que o material carbonoso que apresentou menor reatividade foi o Coque Verde de Petróleo (CVP), 65,89 por cento e 46,77 por cento, para amostras sem desvolatilização e desvolatilizadas, respectivamente. Por outro lado o Carvão Vegetal apresentou a maior reatividade, 98,05 por cento e 95,96 por cento, também para amostras sem desvolatilização e desvolatilizadas, respectivamente. No caso da nova biomassa empregada, o Carvão de Capim Elefante, a reatividade foi superior ao CVP, similar ao Coque Metalúrgico, mas muito distante do Carvão Vegetal. Com relação à porosidade, os materiais depois de reagirem com o CO2, tornaram-se mais porosos que as amostras virgens. Observou-se também em aumentos de 1800x, alguns materiais apresentaram a tendência de se aglomera formando pequenas esferas sobre a superfície das partículas. Na análise TGA, mediu-se para o Carvão Vegetal, a maior perda de peso em presença do CO2 (maior reatividade) e ainda, que Coque Verde de Petróleo sofreu a menor perda de peso (menor reatividade). O modelo cinético empregado, modelo de reação contínua, teve boa correlação, perto de 99 por cento, para os diferentes tipos de materiais. As energias de ativação aparente das biomassas foram menores que as determinadas para os carvões e coques. / [en] This work presents comparisons between the reactivity with CO2, measured at 1100 Celsius degrees, for Coals, Biomass and Cokes, shaped as cylindrical pellets, tested without volatilization and devolatilized. A brief historical review is presented for these carbonaceous materials together with their reactivity behavior. The experimental runs for the materials were made in a Tubular Furnace, Thermogravimetric Balance and the characterizations, as porosity, using a SEM, following the experimental procedure and parameters suggested in the bibliography. The obtained results showed that the carbonaceous material with the lowest reactivity was the Green Petroleum Coke, 65.89 per cent and 46.77 per cent , for samples without devolatilization and devolatilizated, respectively. The Charcoal, on the other hand rated 98.05 per cent and 95.96 per cent, also for samples without devolatilization and devolatilizated, respectively. In the case of new biomass used, Elephant Grass, its reactivity was superior to that of the Green Petroleum Coke, similar to the Metallurgical Coke but far greater than the Charcoal. As for the porosity, the devolatilized materials, after the reaction with CO2 became more porous than the virgin material, presenting also residues that tended to clump together forming small beads on the material’s surface, these were observed with increases at 1800x. The analyses TGA confirmed that Charcoal, submitted to CO2, lost more weight than the other tested carbonaceous materials and the GPC lost the least. The kinetic model, continuous reaction, showed good correlation, about 99 per cent , for every material. The apparent activation energies for the biomasses showed lower values than for the coals and cokes.