Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Paulo Jorge de Melo Matias Faria de Vila Real

Submitted by CRISTIANO PANSANATO null (pansanato.cristiano@gmail.com) on 2017-01-12T21:03:45Z No. of bitstreams: 1 Cristiano Pansanato - Dissertação de Mestrado - 2016.pdf: 4251034 bytes, checksum: f23b5995e15e89e575b69d4b742fb372 (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-01-16T18:33:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pansanato_c_me_bauru.pdf: 4251034 bytes, checksum: f23b5995e15e89e575b69d4b742fb372 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-16T18:33:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pansanato_c_me_bauru.pdf: 4251034 bytes, checksum: f23b5995e15e89e575b69d4b742fb372 (MD5) Previous issue date: 2016-12-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A busca mundial for fontes de energia que garantam um crescimento sustentável tem marcado o século XXI. Nesse cenário, o Brasil é beneficiado, com diversas fontes de energias viáveis nas condições atuais e outras promissoras num cenário de médio e longo prazo. A utilização da energia solar convertida em energia térmica ou elétrica apresenta-se como uma destas alternativas. Explorar a energia solar de forma viável economicamente e melhorar a eficiência de captação e transformação são os grandes desafios que se apresentam. Neste contexto, este estudo se propôs a analisar experimentalmente o desempenho de um Sistema Acoplado, composto por coletores planos com e sem cobertura. O objetivo é reduzir o custo de implantação de um sistema de aquecimento, uma vez que o os coletores sem cobertura são mais baratos. Além disso, dependendo das características de implantação, é ainda possível aumentar a eficiência global do sistema através de um pré-aquecimento da água no coletor sem cobertura, aproveitando a maior eficiência térmica para temperaturas de operação próximas a do ambiente. Para estudo do Sistema Acoplado, um outro sistema composto apenas por coletores com cobertura foi montado e denominado Sistema Simples. Desta forma, com os dois aparatos montados e devidamente instrumentados foi possível obter resultados para as mesmas condições ambientais de teste. Assim, diversos esquemas de controle também puderam ser testados e analisados tanto na operação do Sistema Acoplado como do Sistema Simples. Resultados comparativos avaliando as condições de saída, energia útil e armazenada e eficiências térmicas foram apresentados e comparados para os dois sistemas. / The global search for energy sources that ensure sustainable growth has marked the 21st century. In this scenario, Brazil is benefited, with several viable sources of energy under current conditions and other promising sources in a medium and long-term scenario. The use of solar energy converted into thermal or electric ones presents itself as one of these alternatives. Using solar energy in a cost-effective way and improving the performance for capturing and transforming are the major challenges nowadays. In this context, this study proposed to analyze experimentally the performance of a Coupled System, composed by glazed and unglazed flat collectors. The purpose of this system is to reduce the installation costs of a heating system, since the unglazed collectors are less expensive. In addition, depending on its implementation characteristics, it is possible to increase the overall efficiency of the system by preheating the water in an unglazed collector, taking advantage of its higher thermal efficiency at nearby operating and ambient temperatures. For analysis of Coupled System, another system composed only of glazed collectors was assembled and denominated as Simple System. In this way, with the two devices mounted and instrumented some results can be obtained for the same environmental test conditions. Thus, several control schemes could also be tested and analyzed in the operation of both systems. Comparative results evaluating the output conditions, useful and stored energy and thermal performances are presented and compared for the systems.

Resumo: Este projeto visa à análise cinemática de um arranjo experimental capaz de reproduzir o fluxo sanguíneo em artérias. O mecanismo procura realizar esse escoamento através de um sistema came-seguidor juntamente com um sistema hidráulico, utilizando êmbolo e duas válvulas controladoras de fluxo. O mecanismo came-seguidor será utilizado devido a sua versatilidade em garantir que o escoamento sanguíneo ocorra durante um ciclo cardíaco. A came será radial com seguidores de roletes. O seguidor de roletes será ligado ao cilindro hidráulico que controla o fluxo sanguíneo. Um tubo de látex foi acoplado ao sistema hidráulico representando a aorta abdominal, foi confeccionado com as dimensões reais desta artéria e o látex foi escolhido, pois possui um coeficiente de elasticidade muito próximo da artéria. Um manômetro foi acoplado ao sistema para medir a pressão no interior do tubo de látex. Na sequência um tubo de complacência simular as perdas de carga do sistema circulatório. O deslocamento radial do tubo de látex e variação de pressão do manômetro foram monitorados através de filmagem. Posteriormente, os resultados experimentais foram comparados e validados com os resultados numéricos obtidos com o programa ANSYS e com a literatura / Abstract: This project aims to kinematic analysis of an experimental apparatus able to reproduce the blood flow in arteries. The mechanism cam-follower and the hydraulic system using piston and two controlling valves of flow were used to realize the fluid flow. The camfollower mechanism was used to ensure that the fluid flow occurs during the cardiac cycle. The cam is radial with roller followers. The follower roller is connected to the hydraulic cylinder which controls the fluid flow. A latex tube was attached to the hydraulic system representing the abdominal aorta. The latex tube has the same real dimensions of this artery and it was chosen due the modulus of elasticity very close to the artery. A manometer was used to measure the outlet pressure of latex tube. After latex tube there is a complacency tube to control the pressure drop of circulatory system. The radial displacement of the latex tube and pressure variation of the manometer were monitored through filming. The experimental results were compared and validated with numerical results obtained with ANSYS software and with literature / Orientador: Aparecido Carlos Gonçalves / Coorientador: Amarildo Tabone Paschoalini / Banca: João Antonio Pereira / Banca: Cleudmar Amaral de Araújo / Mestre

A proposta central desta tese é o desenvolvimento de estratégias de modelagem computacional de estruturas de concreto reforçadas com CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Foram utilizados neste estudo os programas computacionais DIANA (plataforma comercial), QUEBRA2D e FEMOOP (plataformas acadêmicas de desenvolvimento). Em cada um dos programas foram implementados ou utilizados modelos constitutivos existentes apropriados para cada fase do sistema estrutural. Implementaram-se modelos constitutivos apropriados para o concreto, para as armaduras de aço, para os polímeros FRP e suas interfaces, a fim de representar o sistema estrutural reforçado com os compósitos. Elementos finitos de interface e de barras de treliça foram implementados (formulações discreta e incorporada) para a representação numérica das armaduras e dos compósitos, bem como de suas interfaces com o concreto. Em complementação às análises numéricas desenvolveram-se ensaios experimentais de vigas de concreto armado reforçadas com fibras de carbono - flexão e cisalhamento - de seção transversal retangular e \"T\". Esses ensaios, assim como outros disponíveis na literatura, são essenciais para uma melhor interpretação sobre a eficiência do reforço e também para a validação da capacidade de modelagem numérica desenvolvida. Foram avaliadas as eficiências dos sistemas de compósitos de fibra de carbono aplicados em reforços de vigas submetidas à flexão e ao cisalhamento, bem como os seus mecanismos de colapso mediante a aplicação de carregamentos monotônicos. Complementarmente, efetuaram-se análises comparativas com os modelos de dimensionamento sugeridos por diferentes normas técnicas ou disponíveis na literatura técnica. / The purpose of this thesis is the development of strategies for computational modeling of reinforced concrete structures strengthened with CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). The software systems DIANA (commercial system), QUEBRA2D and FEMOOP (academic systems) have been utilized. In each program appropriate constitutive models have been implemented or existing ones used for representing each phase of the structural system. Appropriate constitutive models for concrete, rebars, CFRP reinforcement and bond-slip interfaces have been implemented and adjusted to represent the behavior of the composite system. Interface and truss finite elements have been implemented (discrete and embedded approaches) to represent rebars and CFRP\'s, as well their interfaces with concrete. An experimental study of reinforced concrete beams with rectangular and \"T\" cross sections strengthened with CFRP - under bending and shear - have been realized to complement the numerical study. These tests, as well as others available in the literature, are very useful for a better understanding of the strengthening capacity of the CFRP\'s and also for the validation of the proposed computational modeling. The efficiency of CFRP systems for bending and shear strengthening has been evaluated, as well as the collapse mechanisms observed under monotonic loads. In addition comparative analyses with design models prescribed by different codes of practice and others proposed in the literature have been carried out.

Nesta pesquisa estudou-se a influência de recalques em edifícios de alvenaria estrutural. Inicialmente os efeitos desses deslocamentos foram avaliados por meio de uma investigação numérica preliminar. A partir das análises realizadas foram definidos alguns casos mais interessantes de painéis constituídos por parede de alvenaria sobre viga de concreto armado para serem submetidos a ensaios em laboratório. Desta forma foi possível observar experimentalmente o comportamento desses painéis, variando-se alguns dos parâmetros mais importantes: existência e tipo de abertura e rigidez da viga. Além disso, foram avaliadas algumas alternativas para a minimização da fissuração. Utilizando os resultados experimentais, foram realizadas novas análises numéricas com o intuito de validar a modelagem adotada. Verificou-se em especial a importância de consideração da não-linearidade de contato. / In this research, the influence of settlements on structural masonry buildings has been studied. Initially the effect of these displacements was evaluated by means of a preliminary numerical investigation. From these analyses, some interesting cases of panels made of masonry wall on reinforced concrete beam were defined to be submitted to laboratory tests. Thus, it was possible to experimentally observe the behavior of these panels, varying some of the most important parameters: existence and type of opening and rigidity of the beam. Moreover, some cracking minimization alternatives have been evaluated. Using the experimental results, new numerical analyses have been performed to validate the modeling adopted. The importance of contact non-linearity consideration has been specially verified.

O presente trabalho trata da análise do comportamento mecânico da madeira, material anisotrópico, submetida ao crescimento de fissuras e aos processos mecânicos que causam sua ruptura, utilizando os conceitos de Mecânica da Fratura. A avaliação do colapso de peças de madeira, pela da mecânica da fratura, foi realizada por meio de análises experimentais. Para a determinação das propriedades de fratura da madeira foram determinadas propriedades mecânicas da madeira, tais com: módulo de ruptura a flexão estática, módulo de elasticidade à flexão estática, resistência à tração paralela às fibras, resistência ao cisalhamento, resistência ao fendilhamento paralela às fibras e resistência à tração normal às fibras. Foram efetuados ainda ensaios experimentais referentes à mecânica da fratura em corpos de prova tipo SENB (Single Edge Notched Beam). A modelagem numérica foi realizada utilizando-se um código computacional baseado no método de elementos de contorno. Para as simulações foram utilizados os valores das propriedades físicas, de resistência e de elasticidade obtidas na caracterização experimental dos elementos de madeira. Os resultados experimentais foram comparados com as análises numéricas para determinação de uma formulação específica para situações de colapso de elementos de madeira. / The present work deals with the analysis of the mechanical behavior of wood, anisotropic material, submitted to the growth of cracks and the mechanical processes that cause its rupture, using the concepts of Fracture Mechanics. The evaluation of the collapse of pieces of wood, by the fracture mechanics, was carried out by means of experimental analyzes. To determine the fracture properties of the wood, mechanical properties of the wood were determined, such as: modulus of static bending, modulus of elasticity at static bending, tension resistance parallel to grain, shearing resistance, cleavage strength parallel to grain and tension resistance normal to grain. Experimental tests were performed on fracture mechanic in Single Edge Notched beams (SENB). Numerical modeling was performed using a computational code based on the boundary element method. For the simulations, the values of the physical properties, strength and elasticity obtained in the experimental characterization of the wood elements were used. The experimental results were compared with the numerical analyzes to determine a specific formulation for situations of collapse of wood elements.

A pesquisa teve como objetivo analisar e discutir o comportamento de blocos de concreto armado sobre duas estacas submetidos à ação de força centrada e excêntrica. Desenvolveu-se uma análise numérica tridimensional não-linear de blocos de concreto armado sobre duas estacas. A análise numérica levou em consideração a fissuração do concreto e a influência das armaduras no comportamento estrutural dos blocos. Por meio da análise numérica, foi possível perceber o comportamento e a forma geométrica das bielas de compressão, com isso, obteve-se melhor entendimento do modelo de bielas (escoras) e tirantes aplicado a blocos de concreto armado sobre duas estacas. A geometria observada nos modelos numéricos analisados preliminarmente difere da usualmente sugerida por vários autores. Realizou-se investigação experimental de blocos, com o fim principal de observar, de modo mais abrangente, a geometria das bielas de compressão. A instrumentação foi posicionada nas faces dos blocos com extensômetros espaçados de modo a ocuparem boa parte da largura e, conseqüentemente, indicarem as suas geometrias. A análise experimental de blocos sobre duas estacas submetidos à ação de força excêntrica permitiu observar o comportamento das bielas e tirantes que diferem dos observados quando a força é centrada. Também foi analisada a eficiência dos ganchos das barras de aço que compõem os tirantes, verificando-se que os ganchos podem ser omitidos sem prejuízo da segurança estrutural dos blocos. Em função dos resultados obtidos por meio das análises experimental e numérica desenvolveram-se modelos de bielas e tirantes aplicados a blocos sobre duas estacas / The research had as objective to analyze and to argue about the behavior of two pile caps submitted to the action of a centered and eccentric load. A nonlinear three-dimensional numerical analysis of two pile caps was developed. The numerical analysis included the cracking and the influence of the reinforcement in the structural behavior of the pile caps. By the numerical analysis, it was possible to perceive the behavior and the geometric form of the strut, with this understand the model strut-and-tie applied to the two pile caps. The geometry observed in the numerical models analyzed at first differs from the usually suggested by some authors. This project realized experimental tests of piles caps to observe the geometry of the struts. The instrumentation was located in the faces of the pile caps with spaced strain-gages in order to occupy good part of the width and, consequently, indicate its geometry. The experimental analysis of two pile caps submitted to the eccentric load allowed the behavior observation of the strut and tie that differ from the one observed when the load was centered. Also the efficiency of the hooks of the reinforced bar was analyzed, therefore, in the experimental analysis of pile caps already developed, it was verified that the hooks can be omitted without damage of the structural security of the pile caps. For treating the procedure defined in the project, and taking advantage of the experimental analysis realized, it was understood that this requirement can be analyzed and that the results will bring benefits to the project. In function of the results obtained through the experimental and numeric analysis strut-and-tie models were developed to be applied in two pile caps

Apresenta-se neste trabalho um estudo sobre o comportamento de estruturas de pórticos preenchidos por painéis de alvenaria submetidos a ações horizontais, considerando a contribuição de alvenaria na rigidez global da estrutura. Este estudo envolveu uma série de ensaios experimentais como protótipos de aço em escala real utilizando-se blocos celular autoclavados; a macromodelagem numérica pelo método dos elementos finitos; a aplicação do conceito da diagonal equivalente; e a realização de um estudo paramétrico, considerando-se pórticos com diferentes relações altura/comprimento, visando à obtenção de recomendações práticas para análise de pórticos preenchidos. Essas recomendações são apresentadas na forma de uma proposta para determinação da carga de ruptura em painéis de pórticos preenchidos com alvenaria, utilizando-se o modelo de bielas e tirantes. Os resultados obtidos com a aplicação desta proposta foram comparados com os dos modelos experimentais e teóricos disponíveis na literatura, comprovando-se a eficiência e praticidade em sua utilização. / This work presents a study of the behavior of masonry infilled frames structures, subjected to horizontal actions, regarding the contribution of the masonry to the structure global stiffening. The study consists of tests, in real size, in steel frames infilled with structural blocks of autoclaved aerated concrete; of the macromodeling using the finite element method; of the application of the concept of equivalnet diagonal struts and of the realization of a parametric study, regarding frames with different ratios height/length, aiming to get design recommendations for the analysis of infilled frames. These recommendations are presented as a proposal for determining the cracking load in panels of infilled frames with masonry. utilizing the strut-and-tie model. The results obtained with this proposal are compared with tests and predictions derived from approximate theoretical analyses, proving the efficiency and practicality in their utilization.

No Brasil, a pequena gama disponível de perfis laminados e o custo relativamente elevado dos perfis soldados, têm impulsionado o emprego dos perfis formados a frio nos edifícios de pequeno porte, em associação com as tradicionais lajes de vigotas pré-moldadas, constituindo um sistema misto cujo comportamento estrutural ainda é pouco conhecido. Embora haja similaridades com as clássicas vigas mistas em perfis laminados e soldados e laje maciça, é fundamental investigar o comportamento estrutural das vigas mistas em perfis formados a frio, uma vez que (i) os conectores de cisalhamento devem apresentar compatibilidade estrutural e construtiva com as vigas as quais serão concectados, (ii) pela reduzida capacidade de rotação das vigas de aço, comprometendo os modelos de cálculo que admitem, por hipótese, a plastificação total da seção mista para a determinação do momento fletor resistente e (iii) pela dificuldade de posicionamento da armadura transversal (armadura de costura). Neste trabalho foi desenvolvido um estudo teórico e experimental sobre conectores em perfil U formado a frio e vigas mistas constituídas por perfis formados a frio e laje de vigotas pré-moldadas. O estudo dos conectores, por meio de ensaios de cisalhamento direto, permitiu a avaliação da influência da altura e espessura na resistência e rigidez, e ainda permitiu ajustar a expressão da norma americana AISC:2005, estabelecida para cálculo da resistência de conectores em perfil U laminado, aos perfis formados a frio. Da análise das vigas mistas simplesmente apoiadas, por meio de simulações numéricas e ensaios experimentais, verificou-se a influencia da: armadura de costura, do posicionamento dos conectores em relação às vigotas treliçadas e do deslizamento na interface e suas implicações principalmente na determinação do deslocamento vertical. Os resultados indicaram que se deve adotar um momento fletor resistente inferior ao momento de plastificação total da seção mista, e que a posição e taxa de armadura transversal interferem no panorama de fissuração da laje, mas têm pequena influência na resistência da viga mista. / In Brazil, the lack of hot-rolled members and high cost of welded steel beams have increased the use of composite beams made of cold-formed steel beams and floor system with lattice girder beams, whose structural behavior is not perfectly understood. Although this system is similar to the one composed of hot-rolled steel beams and concrete slabs, it is important to study its structural behavior due to some reasons: (i) the shear connectors must have structural and constructive compatibility with the beams they are connected, (ii) the small rotations of the steel beams jeopardize the concept of total yielding of composite section, which is currently used to evaluate the resistant moment, (iii) the complexity in placing the conventional shear reinforcement. This work presents an experimental and theoretical analysis on channel cold-formed connectors and composite beams made of cold-formed steel beams and concrete slabs with lattice girder beams. The push out tests of shear connectors evaluated the influence of their height and thickness on strength and stiffness of the system, and made possible to adjust the empiric expression of AISC:2005, originally developed for hot-rolled channel connectors, to fit the behavior of cold-formed connectors. Additionally, the influence of transverse reinforcement, relative position of connectors to lattice girder beams and interface slippage on vertical displacements were evaluated through numerical and experimental analysis. The results showed that the resistant moment is smaller than the calculated considering total yielding of the cross section. Besides this, the position and amount of transverse reinforcement amount have strong influence on crack configuration but not on the strength of the system.

A ação estrutural monolítica de paredes interconectadas é dependente da resistência ao cisalhamento da interface, que por sua vez, depende do tipo de ligação entre elas. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo avaliar o comportamento mecânico das interfaces verticais entre paredes de alvenaria conectadas por amarração direta e por amarração indireta com grampos de barras de aço CA-50 com 10 mm de diâmetro. Para compreensão do mecanismo de funcionamento das ligações foram realizados ensaios de caracterização dos materiais, dos componentes e da alvenaria, além de ensaios de cisalhamento direto em quatro séries de seis corpos de prova de cinco fiadas, em formato H e em escala natural. Nas séries ensaiadas foi variado o tipo de ligação e o material do bloco, sendo a primeira produzida com blocos de concreto e amarração direta, a segunda com blocos cerâmicos com amarração direta, a terceira com blocos de concreto e amarração indireta e a quarta com blocos cerâmicos e amarração indireta. Todos os corpos de prova foram assentados com argamassamento lateral e argamassa de traço 1:1:6 em volume. Na análise experimental foi investigada a força de ruptura, a relação tensão-deformação específica, o tipo de ruptura e a propagação das fissuras nas paredes. Posteriormente foram realizadas modelagens computacionais no programa DIANA, que é baseado no método dos elementos finitos, para prever o comportamento estrutural dos painéis H. A partir dos resultados experimentais e numéricos pôde-se concluir que todos os modelos romperam por cisalhamento da interface, sendo que o mecanismo resistente depende primordialmente do tipo da ligação das paredes. A resistência ao cisalhamento da interface no plano vertical de ligação entre a parede central e o flange das séries de blocos de concreto foi praticamente a mesma, independente do tipo de ligação. Já as séries de blocos cerâmicos e amarração direta apresentaram resistência ao cisalhamento aproximadamente 46% maior que a obtida para amarração indireta. Para os modelos com amarração direta o mecanismo de ruptura foi o mesmo: a tração indireta dos blocos que interceptavam o plano de cisalhamento. Para os modelos com amarração indireta a ruptura foi governada por tração indireta dos blocos da interface, no caso de blocos cerâmicos, e por escoamento das barras da armadura nos modelos de blocos de concreto. A resistência ao cisalhamento vertical da interface foi avaliada em cada caso e comparada com algumas prescrições normativas, as quais, em sua maioria, se apresentaram conservadoras. Ainda, as análises numéricas realizadas mostraram que os modelos computacionais das paredes interligadas representam adequadamente o comportamento observado em laboratório e, portanto, podem ser utilizados em análises paramétricas. A força de ruptura estimada por meio dos resultados de caracterização dos componentes apresentou boa correlação com a força obtida no ensaio de painel H, apresentando-se como um procedimento simples que pode ser utilizado de forma conservadora no desenvolvimento de projetos estruturais. / The monolithic structural behaviour of interlocked walls is dependent on the shear strength of the interface, which depends on the connection type. The present research aims to evaluate the mechanical behaviour of vertical interfaces of masonry walls connected by running bond and U-Steel anchors. The characterization testing of materials, components and masonry was carried out to understand the behaviour of the connections. Four series of tests with six H-shaped specimens were performed to determine the bonding pattern effect (running bond and U-Steel anchor) on the shear strength of the web-flange connection. In the tested series some parameters of the H-shaped specimens were varied, such as the type of connection and the block material. The first series was built with concrete blocks and running bond, the second one with clay blocks and running bond, the third one with concrete blocks and U-Steel anchors and, finally, the fourth series was constructed with clay blocks and U-Steel anchors. Face shell bedding was used to build all the specimens and the volume proportion of mortar was 1:1:6. In the experimental program the failure load, the stress-strain relationship, the type of failure and the crack propagation on the walls were investigated. Computational modelling was carried out using the FEM software Diana, which has a library with constitutive models suitable for civil engineering application, to complete the study and understand the structural behaviour of the masonry panels. The shear strength of the web-flange vertical interface, considering the specimens with concrete blocks, was nearly the same, irrespective of the connection type. Regarding the clay block series, running bond specimens were 46% stronger than the U-Steel anchor ones. Considering the running bond specimens, the failure mechanism was the same: tensile splitting of the blocks that cross the shear plane. For the U-Steel anchor models, failure was governed by tensile splitting of the blocks located in the interface plane, in the case of clay blocks, and yielding of the U- Steel anchors for concrete block specimens. The vertical shear strength of the interface was assessed in each case and compared with some normative prescriptions. In most cases the codes were conservative. Furthermore, the numerical analysis showed that the computer models of the interlocked walls represented adequately the behaviour of the physical models, and thus can be used in parametric analysis. The failure loads estimated by the results of the characterization tests of the components showed good correlation with those obtained in the tests. Based on the results, this procedure can be used conservatively in practical structural designs.