Em uma abordagem realística de estruturas e componentes mecânicos admite-se a existência de trincas. A presença destas, geralmente, está associada ao fenômeno da fadiga. Existem diversos modelos matemáticos que descrevem a propagação de uma trinca. De forma geral, os modelos de propagação de trinca são classificados pelo tipo de carregamento, que pode ter amplitude de tensão constante (CATC) ou amplitude de tensão variável (CATV). Neste trabalho foi utilizado o modelo do tipo CATC proposto por Collipriest. Para muitas aplicações de engenharia, até um certo momento, não se faz necessário uma grande acurácia nas previsões do comportamento das estatísticas, a cerca da evolução de uma trinca, mas uma previsão confiável, dentro de certos limites, desse comportamento. Este trabalho apresenta resultados teóricos, que consistem em obter cotas, inferiores e superiores, que “envelopam” os estimadores dos momentos estatísticos de primeira e de segunda ordem da função “tamanho de trinca” baseadas no método “Fast Crack Bounds”. Essas cotas são polinômios, definidos na variável número de ciclos, que consideram as incertezas nos parâmetros que descrevem os modelos de propagação de trinca. O método de simulação de Monte Carlo foi utilizado para obter as realizações da função tamanho de trinca a partir de um conjunto de 10.000 amostras randômicas dos parâmetros característicos do modelo de Collipriest. Essas realizações foram utilizadas para obter os estimadores dos momentos estatísticos do tamanho de trinca. A eficiência das cotas para os estimadores dos momentos estatísticos do tamanho de trinca é avaliada através de funções “desvio relativo” entre as cotas e as soluções numéricas aproximadas do problema de valor inicial (PVI) que descreve o modelo de Collipriest. Em geral, a solução dos PVI que descrevem os modelos de propagação de trincas é obtida através do uso de métodos numéricos, como o método de Runge-Kutta de quarta ordem explícito (RK4). Neste trabalho foi utilizado o software MATLAB para obter as soluções do PVI que descreve o modelo de Collipriest, avaliar o tempo computacional da metodologia proposta, além dos desvios das cotas em relação às soluções aproximadas, confirmando sua eficiência. / In a realistic approach of structures and mechanical components, cracks are admitted. Their presence is usually associated with the fatigue phenomenon. There are several mathematical models that describe the propagation of a crack. In general, the crack propagation models are classified by the type of load, which can have constant stress amplitude (CSA) or variable stress amplitude (VSA). In this work, the CSA type model proposed by Collipriest was used. For many engineering applications, until a certain point, it is not necessary to have great accuracy in predictions of the behavior of statistics, about the evolution of a crack, but a reliable prediction, within certain limits, of this behavior. This work presents theoretical results, which consist of obtaining lower and upper bounds that "envelop" the estimators of the first and second order statistical moments of the crack size function based on the Fast Crack Bounds method. These bounds are polynomials defined in the variable “number of cycles” that consider the Metais - Fadiga uncertainties in the parameters that describe the crack propagation models. The efficiency of the bounds for the statistical moments of crack size is evaluated through the deviation between the bounds and the approximate numerical solutions of the initial value problems (IVP) that describes the Collipriest model. In general, the solution of the IVPs describing crack propagation models is obtained through the use of numerical methods, such as the explicit fourth order Runge-Kutta method (RK4). In this work, the MATLAB software was used to obtain the solutions of the IVP that describes the Collipriest model, to evaluate the computational time of the proposed methodology, besides the deviations of the bounds in relation to the approximated solutions, confirming its efficiency.

[pt] A preocupação com a gestão e gerenciamento adequado dos resíduos sólidos é uma questão de grande importância para a manutenção da qualidade de vida e de um meio ambiente saudável. É essencial que a conscientização em relação a este tema nasça da responsabilidade da população em parceria imprescindível e indispensável do Poder Público em todas as suas esferas e das empresas privadas. A partir de 2010, com a aprovação das leis federais n. 11.445 (Política Nacional de Saneamento Básico) e 12.305 (Política Nacional dos Resíduos Sólidos), e com a definição de programas e metas visando à universalização dos serviços, o tema resíduos sólidos ganhou mais poder e visibilidade e vem sendo amplamente discutido. Entretanto, ainda é evidente que, na maioria dos municípios brasileiros, a gestão e gerenciamento dos resíduos sólidos urbanos estão muito aquém de atingir resultados desejados e satisfatórios. Este trabalho avalia especificamente o Gerenciamento Integrado de Resíduos Sólidos para o município de Paty do Alferes, localizado no estado do Rio de Janeiro, e analisa a operacionalidade da Unidade de Triagem e Compostagem instalada neste município. Para isso, foram realizadas revisões bibliográficas, visitas de campo, coletas de dados e entrevistas com pessoas envolvidas neste processo. Como resultados obtiveram-se matrizes de análise que poderão ser aplicadas a outros municípios possibilitando a identificação de pontos fracos e fortes no Gerenciamento Integrado de Resíduos Sólidos e nas estruturas e operação de uma UTC, bem como sua utilização como apoio para elaboração do Plano Municipal de Resíduos Sólidos. Conclui-se que ainda é enorme a deficiência dos municípios brasileiros na gestão e gerenciamento de seus resíduos, demonstrando a necessidade de conscientização da população e de grandes investimentos em capacitação e infraestrutura por parte dos poderes públicos e privados. / [en] The integrated management of urban solid waste is of great importance to maintaining public health and the environment. The setting of policies suitable for the local reality ensures efficient performance of services, right choice of type of treatment and environmentally appropriate final disposal. Since 2010, with the regulation of Federal Law no. 11.445 (National Policy for Basic Sanitation) and Federal Law no. 12.305 (National Policy for Solid Waste), the guidelines concerning solid waste management and the responsibilities of its generators and the government became clearly defined, providing extensive discussions and the implementation of classes and seminars all over the country. The National Policy for Solid Waste provides for the goals, instruments and guidelines regarding solid waste management, both its generators and the government s responsibilities and the applicable economic instruments. Among the goals presented in the above-mentioned law, it s important to point out: Reduction of waste consumption and generation, encouragement towards recycling, reutilization, treatment and appropriate disposal of refuse; Support to the recycling industry, inciting the use of products made of recyclable raw materials; Perfecting of technical team for working with solid waste; and Promotion of the engagement of scavengers and associations in actions that involve shared responsibility for the products life cycle. This law also reaffirms that social participation is mandatory and essential in all steps of the elaboration process of solid waste plans (national, state and municipal), thus intending for the programs and plans to represent the real local and the people s need, in addition to determining that these plans be publicized in all social spheres.

CAPES / A otimização global eficiente (ego, do inglês efficient global optimization), apresentada por Donald R. Jones no final da década de 90, tem como proposta solucionar problemas de otimização nos quais, devido a um elevado custo computacional da função objetivo, o número de avaliações desta é severamente limitado. ego baseia-se na otimização pelo uso de superfícies de resposta ou metamodelos, que são funções de baixo custo computacional que se ajustam aos dados “experimentais” (de experimentos físicos, cálculos analíticos ou simulações numéricas) obtidos em pontos escolhidos no domínio de projeto. Como no trabalho original de Jones, o metamodelo de Kriging é aqui utilizado. A eficiência e robustez do método reside no balanceamento entre a necessidade de minimização (ou maximização) da superfície de resposta média com a necessidade de melhoria da aproximação que esta fornece. Nesta dissertação, usa-se o ego para encontrar as orientações curvas de laminados de rigidez variável com geometrias relativamente complexas. Os problemas mostrados possuem número moderado de variáveis (em geral 12) e geometrias que variam de uma simples placa quadrada com furo central a painéis reforçados semelhantes a seções de fuselagem de uma aeronave comercial. Através desses problemas, são abordadas a otimização global com e sem restrições e a otimização multiobjetivo sem restrições. Para contemplar restrições e multiobjetivos, foi necessária a implementação de modificações no algoritmo original de Jones. Para a maior parte dos problemas, o orçamento computacional é restringido em apenas 60 avaliações dos modelos de alta fidelidade (modelos de elementos finitos desenvolvidos no software ansys). Os resultados obtidos mostram que o framework proposto é capaz de encontrar bons projetos para um orçamento computacional limitado. Em relação aos compósitos de rigidez variável, o uso de fibras curvas mostrou ganhos estruturais substanciais. Por exemplo, para a estrutura semelhante à de uma fuselagem de aeronave, chegou-se a observar um aumento de até 47% na carga de flambagem sob carregamento de compressão uniaxial, quando comparada à mesma estrutura com apenas fibras retas comerciais. / The efficient global optimization (ego), presented by Donald R. Jones at the end of the 90s, propose to solve optimization problems where, due to the high computational burden of the cost function, the number of evaluations is severely limited. ego is based on the concept of surrogate models, that are fast-to-compute functions that adjust the “experimental” data (physical, analytic or simulations). In the current work, as well as in the Jones’s one, the Kriging metamodel is used. The efficiency and robustness of the method lays at the balance between exploration and exploitation of the surrogate response. Here, ego is used to find the optimized parameters for curved fiber structures with relatively complex geometry. The number of variables are moderately (in general 12) for the various problems presented and the geometries vary from simple square plates with a central hole to an airplane fuselage-like section. Trough these problems, single objective optimizations with and without constraints and an unconstrained multiobjective optimization are performed. For the constraints and multiobjectives, adaptations to the original framework were made. For most of the problems, the computational budget is set to just 60 evaluations of the high fidelity model (finite element model built using ANSYS software). The results showed that the framework is capable of finding good designs with a limited computational budget. Considering the variable stiffness composites, the use of curved fibers presented substantial structural improvements. For example, for the fuselage-like structure, it was observed an improvement of 47% in the buckling load when compared to straight fibers optimal solution.

CAPES / A otimização global eficiente (ego, do inglês efficient global optimization), apresentada por Donald R. Jones no final da década de 90, tem como proposta solucionar problemas de otimização nos quais, devido a um elevado custo computacional da função objetivo, o número de avaliações desta é severamente limitado. ego baseia-se na otimização pelo uso de superfícies de resposta ou metamodelos, que são funções de baixo custo computacional que se ajustam aos dados “experimentais” (de experimentos físicos, cálculos analíticos ou simulações numéricas) obtidos em pontos escolhidos no domínio de projeto. Como no trabalho original de Jones, o metamodelo de Kriging é aqui utilizado. A eficiência e robustez do método reside no balanceamento entre a necessidade de minimização (ou maximização) da superfície de resposta média com a necessidade de melhoria da aproximação que esta fornece. Nesta dissertação, usa-se o ego para encontrar as orientações curvas de laminados de rigidez variável com geometrias relativamente complexas. Os problemas mostrados possuem número moderado de variáveis (em geral 12) e geometrias que variam de uma simples placa quadrada com furo central a painéis reforçados semelhantes a seções de fuselagem de uma aeronave comercial. Através desses problemas, são abordadas a otimização global com e sem restrições e a otimização multiobjetivo sem restrições. Para contemplar restrições e multiobjetivos, foi necessária a implementação de modificações no algoritmo original de Jones. Para a maior parte dos problemas, o orçamento computacional é restringido em apenas 60 avaliações dos modelos de alta fidelidade (modelos de elementos finitos desenvolvidos no software ansys). Os resultados obtidos mostram que o framework proposto é capaz de encontrar bons projetos para um orçamento computacional limitado. Em relação aos compósitos de rigidez variável, o uso de fibras curvas mostrou ganhos estruturais substanciais. Por exemplo, para a estrutura semelhante à de uma fuselagem de aeronave, chegou-se a observar um aumento de até 47% na carga de flambagem sob carregamento de compressão uniaxial, quando comparada à mesma estrutura com apenas fibras retas comerciais. / The efficient global optimization (ego), presented by Donald R. Jones at the end of the 90s, propose to solve optimization problems where, due to the high computational burden of the cost function, the number of evaluations is severely limited. ego is based on the concept of surrogate models, that are fast-to-compute functions that adjust the “experimental” data (physical, analytic or simulations). In the current work, as well as in the Jones’s one, the Kriging metamodel is used. The efficiency and robustness of the method lays at the balance between exploration and exploitation of the surrogate response. Here, ego is used to find the optimized parameters for curved fiber structures with relatively complex geometry. The number of variables are moderately (in general 12) for the various problems presented and the geometries vary from simple square plates with a central hole to an airplane fuselage-like section. Trough these problems, single objective optimizations with and without constraints and an unconstrained multiobjective optimization are performed. For the constraints and multiobjectives, adaptations to the original framework were made. For most of the problems, the computational budget is set to just 60 evaluations of the high fidelity model (finite element model built using ANSYS software). The results showed that the framework is capable of finding good designs with a limited computational budget. Considering the variable stiffness composites, the use of curved fibers presented substantial structural improvements. For example, for the fuselage-like structure, it was observed an improvement of 47% in the buckling load when compared to straight fibers optimal solution.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O câncer de mama é um problema de saúde pública e possui a maior incidência e mortalidade na população feminina em todo o mundo. A detecção precoce do câncer de mama é essencial para redução da morbidade e mortalidade associadas a esta doença. Alguns dos métodos usados para detecção dos tumores mamários são a ultrassonografia, a imagem por ressonância magnética (MRI), a tomografia por emissão de pósitrons (PET), a tomossíntese e a mamografia, recomendada como técnica de rastreamento. Cada um dos métodos apresenta vantagens e desvantagens, como provocar desconforto ao paciente durante a realização dos exames, possíveis reações ao agente de contraste, emissão de radiação, dependência do operador para análise dos resultados, dificuldade de detecção em tecidos densos, falta de acessibilidade para pessoas com deficiência ou baixa mobilidade, alto custo e produção de rejeitos radioativos. O objetivo principal deste trabalho é aplicar os métodos de impedância eletromecânica e térmica na detecção de inclusões para que possam ser futuramente usados como técnicas alternativas às já existentes na identificação de tumores mamários. A aplicação do método da impedância eletromecânica que utiliza transdutores piezelétricos, atuando simultaneamente como sensor e atuador, acoplados à estrutura analisada permite o monitoramento das mudanças da massa, rigidez e/ou amortecimento e a consequente detecção da inclusão. O mesmo procedimento é aplicado no método da impedância térmica que, por sua vez, consiste na razão entre a variação da resposta da temperatura superficial da estrutura em função da aplicação de um fluxo de calor externo. A detecção das inclusões torna-se possível devido a definições de métricas de dano que são parâmetros estatísticos capazes de representar numericamente a diferença entre duas medições antes e após o dano. A metodologia proposta é validada experimentalmente através da aplicação em materiais hiperplásticos de geometria simples e complexa. Amostras de silicone e modelos de aplicação médica são analisadas. Os métodos de impedância propostos apontaram, preliminarmente, para uma maior sensibilidade da técnica a inclusões menores, de 10 mm de diâmetro para os testes realizados. Além disso, observou-se que o aquecimento externo imposto aos modelos e a presença de geração de calor nas inclusões auxiliou na detecção. Um teste qualitativo foi realizado in vivo para a análise do potencial de uso da impedância eletromecânica em aplicações clínicas. Este trabalho apresenta contribuições importantes, não só no campo da engenharia biomecânica, mas também na análise do comportamento estrutural, ampliando as aplicações de técnicas de dano em materiais hiperelásticos, assim como, propondo o uso da impedância térmica como um novo parâmetro para identificação de inclusões ou falhas estruturais em ensaios não destrutivos. / Breast cancer is a public health problem and has the highest incidence and mortality in the female population worldwide. Early detection of breast cancer is essential for reducing the morbidity and mortality associated with this disease. Some of the methods used to detect breast tumors are ultrasonography, magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET), tomosynthesis and mammography, which is recommended as a screening technique. Each method has its advantages and disadvantages, such as discomfort to the patient during the exams, possible reactions to the contrast agent, radiation emission, operator dependence for the analysis of results, difficulty for detection in dense tissues, lack of accessibility for people with disabilities or low mobility, high cost and radioactive waste production. The main objective of this work is to apply the electromechanical and thermal impedance methods in the detection of inclusions, in order to be used, in the future, as alternative techniques to those already existent for the identification of breast tumors. The application of the electromechanical impedance method using piezoelectric transducers, acting simultaneously as a sensor and actuator, coupled to the analyzed structure allows the monitoring of mass, rigidity and/or damping variations, and consequent detection of the inclusion. The same procedure is applied in the thermal impedance method, which consists of the ratio between the gradient of the surface temperature response of the structure as a function of the application of an external heat flow. The detection of inclusions is possible due to the damage metrics that are statistical parameters capable of numerically representing the difference between two measurements before and after the damage. The proposed methodology is validated experimentally through the application in hyperplastic materials of simple and complex geometry. Silicone samples and medical application models are analyzed. The proposed impedance methods preliminarily presented a higher sensitivity of the technique to smaller inclusions of 10 mm in diameter for the tests performed. In addition, it was observed that the external heating imposed on the models and the presence of heat generation in the inclusions aided in the detection. A qualitative test was performed in vivo to analyze the potential of the use of electromechanical impedance in clinical applications. This work presents important contributions not only in the field of biomechanical engineering, but also in the analysis of structural behavior, expanding the applications of damage techniques in hyperelastic materials, as well as proposing the use of thermal impedance as a new parameter for identification of inclusions or structural failures in nondestructive testing. / Tese (Doutorado)

A exploração de itabirito do minério de ferro para a indústria siderúrgica gera, entre outros, milhares de toneladas diárias de resíduo de arenoso. As características físicas e químicas homogêneas deste material, o faz atraente como matéria-prima para diversas indústrias, incluindo a fabricação de artefatos de cimento. Um aspecto importante para a sustentabilidade deste segmento é o uso racional dos recursos naturais e o aumento da durabilidade do produto final. Este trabalho visa o desenvolvimento e o estudo comparativo das propriedades de argamassas contendo resíduo arenoso do itabirito e areia natural. Inicialmente o resíduo arenoso foi analisado, caracterizado e, de acordo com normas ambientais, classificado como inerte (Classe II B). Argamassas foram feitas usando a areia natural e resíduo de arenoso, seguindo o planejamento fatorial 23 para o estudo dos agregados, e 2x4 para o estudo dos fluidificantes. Os fatores estudados foram a relação água / cimento (a / c), o tipo de cimento e o proporção cimento:agregado. Os testes foram realizados, nas argamassas frescas e endurecidas, para determinar propriedades como viscosidade, tempo de pega, porosidade, densidade, resistência à compressão, etc. Estas propriedades foram analisadas em relação aos fatores definidos, utilizando ferramentas estatísticos ANOVA e t-student com amostras emparelhadas. A relação entre estas propriedades foi verificada através de um estudo realizado correlacionando-as duas a duas. Em alguns casos os resultados usando o resíduo arenoso não seguiram a tendência esperada, de acordo com a literatura para as argamassas com areia natural. Os dados do teste de carbonatação indicaram que as argamassas com resíduo arenoso devem ser preferencialmente utilizadas em estruturas não armadas, por exemplo, em calçadas. A partir da análise dos resultados de todas as propriedades, a formulação com cimento CP V, proporção cimento:resíduo = 1:2 e relação água / cimento = 0,80 apresentou boa trabalhabilidade e tempo de pega adequado, sendo selecionada como base para os testes em escala piloto. Além disso, a densidade, 2,05 g.cm-3, e a resistência à compressão, 19,2 MPa, dos produtos sugerem a sua utilização como artefatos para construção. Testes com 300 dias de alguns espécimes evidenciaram a estabilidade do produto final. Finalmente, com este trabalho construiu-se a base para os estudos de demonstração em escala piloto e de viabilidade econômica da cimentação deste resíduo. / The exploitation of itabirite from iron ore for the steel industry generates about thousands of tons daily of sandy waste, among others. The homogeneous physical and chemical characteristics of this material make it attractive as a raw material for different industries, including the cement artifact manufacture. An important aspect for the sustainability of this segment is the rational use of natural resources and the increase of product durability. This work aims the development and the comparative study of mortars properties containing sandy waste from itabirite and natural sand. Initially the sandy waste was analyzed, characterized and, according to environmental standards, classified as inert (Class IIB). Mortar was made using the natural sand and the sandy waste, following the 23 factorial design for the aggregate study, and 2x4 for the admixture study. The factors studied were the water / cement ratio (a / c), the type of cement and the cement:aggregate proportion. Tests were performed in fresh and hardened mortar to determine properties such as viscosity, setting time, porosity, density, compressive strength etc. These properties were analyzed in relation to the defined factors, using statistical tools ANOVA and t-student. The relationship between these properties was verified through a study carried out correlating them two by two. In some cases the results from using sandy waste did not follow the expected trend that was presented in the literature for the mortar using natural sand. The data from carbonation test showed that mortar with sandy waste should be preferably used in structures without steel, for example, in sidewalks. From the analysis of the results of all properties, the Formulation with the cement CP V, cement: waste proportion = 1:2, and water / cement ratio = 0.80 showed good workability and setting time appropriate, therefore it was selected as basis for tests in pilot scale. Additionally, the density, 2.05 g.cm-3, and compressive strength 19.2 MPa of the final product are suitable for their use as artifacts to construction. Tests for 300 days of some specimens evidenced the stability of the final products. Finally this work has built the base for the studies of pilot plant scale and the economical viability of the waste sandy cementation process.

Submitted by Ivone Costa (mivone@ufpa.br) on 2018-08-31T18:18:55Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ReciclagemAlternativaEficiencia.pdf: 3642819 bytes, checksum: e7ba133ca9d41c9fcab4eba8b2776f10 (MD5) / Approved for entry into archive by Ivone Costa (mivone@ufpa.br) on 2018-08-31T18:19:45Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ReciclagemAlternativaEficiencia.pdf: 3642819 bytes, checksum: e7ba133ca9d41c9fcab4eba8b2776f10 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-31T18:19:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ReciclagemAlternativaEficiencia.pdf: 3642819 bytes, checksum: e7ba133ca9d41c9fcab4eba8b2776f10 (MD5) Previous issue date: 2018-05-28 / Na pesquisa, classificada como descritiva e exploratória, foi avaliada a eficiência técnica e sustentabilidade econômica do setor de resíduos sólidos urbanos (RSU) do município de Belém – PA. A pesquisa dividida em três etapas teve na sua primeira fase a execução do diagnóstico legal, operacional e financeiro do município. Em seguida, na segunda etapa, foram estabelecidos cenários para reciclagem de 10%, 25% e 50% dos RSU gerados no município no ano de 2017. Na última etapa foram determinados os preços de venda dos recicláveis e estimadas as perspectivas econômicas nos cenários propostos, além da avaliação do benefício financeiro que a coleta seletiva poderá trazer as finanças públicas. Foi verificada no ano de 2017 a geração de 340.405,39 ton. RSU no município de Belém, bem como a existente necessidade de atualização das leis, elaboração dos instrumentos de planejamento e reformulação das formas de cobrança dos serviços prestados no setor. Também foi observado que a implantação da reciclagem de 10%, 25% e 50% da massa total de RSU gerada no ano de 2017 reduziria as despesas operacionais em R$ 11.302.703,66, R$ 28.256.759,16 e R$ 56.513.518,32, respectivamente nos cenários propostos. Com o trabalho foi possível concluir que a reciclagem é uma excelente alternativa para melhorar a infraestrutura e reduzir as despesas no setor de RSU do município de Belém. / In the research, classified as descriptive and exploratory, the technical efficiency and economic sustainability of the solid urban waste (SUW) sector of the city of Belém - PA was evaluated. The research divided into three stages had in its first phase the execution of the legal, operational and financial diagnosis of the municipality. Then, in the second stage, scenarios were established to recycle 10%, 25% and 50% of MSW generated in the municipality in the year 2017. In the last stage, the sales prices of recyclables were determined and the economic prospects were estimated in the proposed scenarios, besides the evaluation of the financial benefit that the selective collection can bring the public finances. The generation of 340,405.39 tons SUW was verified in the city of Belém, as well as the existing need to update the laws, elaboration of the planning tools and reformulation of the forms of collection of the services provided in the sector. It was also observed that the implementation of recycling of 10%, 25% and 50% of the total RSU mass generated in 2017 would reduce operating expenses by R $ 11,302,703.66, R $ 28,256,759.16 and R $ 56,513,518.32, respectively, in the proposed scenarios. With the work it was possible to conclude that recycling is an excellent alternative to improve infrastructure and reduce expenses in the SUW sector of the municipality of Belém. / SEMAS - Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Sustentabilidade

Made available in DSpace on 2011-03-23T21:19:22Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Item created via OAI harvest from source: http://www.bdtd.ufpa.br/tde_oai/oai2.php on 2011-03-23T21:19:22Z (GMT). Item's OAI Record identifier: oai:bdtd.ufpa.br:101 / Equipments used in electric substations have specific functions in the functioning and maintenance of the functionality of such installations, being equipment applied to control reactive currents, short circuit currents and maneuver poles in transmission systems of electric energy. It was detected that some reactors in functioning had presented high levels of structural vibration. Two of these reactors operate in the substation of Rurópolis city, situated the west of Pará state. Another decurrent problem of the raised level of vibration of these structures is the generation of hot spots in the electromagnetic nucleus of the reactor, being able to generate bubbles of highly inflammable gases. The existence of these operational problems can cause to the North of Brazil Transmission System functional interruptions in the transmission of electric energy. That would cause in the North region and other linked ones (Northeast, Southeastern and Center-West) raised social and financial damages. The application of tools for reducing the vibrate-acoustic trouble (reduction of the levels vibration and, therefore, noise) can prevent structural and operational damages that result in its operative non-availability reducing, consequently, losses and the necessity of the development of equipment of cost raised with low indices of vibration. In the intention of if reducing such levels, it is considered the application of dynamic absorbers in the external structure of the reactors. With the calculated absorbers in amount, position and parameters (mass, stiffness and damping) expects to create a system syntonized with the frequency of the excitement of electromagnetic nature, that will absorb part of the vibratory energy of the reactor, having minimized raised detected levels and, therefore, all the subsequent problems. Viscoelastic materials will be used in the dynamic absorbers (with temperature and frequency dependent dynamic properties), because these materials to increase the field of activity of the dynamic absorbers, adjusting themselves it the raised verified modal density in the metallic shells of the reactor. / Reatores elétricos utilizados em subestações de energia têm funções específicas na operacionalização e manutenção da funcionalidade destas instalações, sendo equipamentos aplicados ao controle de reativos, de correntes de curto circuito e surtos de manobra em sistemas de transmissão de energia elétrica. Detectou-se que alguns reatores em funcionamento apresentaram elevados níveis de vibração estrutural. Dois destes reatores operam na subestação da cidade de Rurópolis, situada a oeste do estado do Pará. Outro problema decorrente do elevado nível de vibração destas estruturas é a geração de pontos quentes no núcleo eletromagnético do reator, podendo gerar bolhas de gases altamente inflamáveis. A existência destes problemas operacionais pode ocasionar ao Sistema de Transmissão do Norte do Brasil interrupções na transmissão de energia elétrica. Isto geraria na região Norte e em outras interligadas (Nordeste, Sudeste e Centro-Oeste) elevados prejuízos sociais e financeiros. A aplicação de ferramentas para a minimização do problema vibro-acústico (redução dos níveis vibração e, por conseguinte, ruído) pode evitar danos estruturais e operacionais que resultem na sua indisponibilidade operativa reduzindo, conseqüentemente, perdas e a necessidade do desenvolvimento de equipamentos de custo elevado com baixos índices de vibração. No intuito de se reduzir tais níveis, propõe-se à aplicação de absorvedores dinâmicos na estrutura externa dos reatores. Uma vez dimensionados em quantidade, posição e parâmetros definidores (massa, rigidez e amortecimento) espera-se criar um sistema, que sintonizado com a freqüência da excitação de natureza eletromagnética, absorverá parte da energia vibratória do reator, minimizando-se, os elevados índices detectados e, por conseqüência, todos os problemas subseqüentes. São indicados compostos viscoelásticos nos absorvedores dinâmicos (com propriedades dinâmicas dependentes tanto da temperatura como da freqüência de trabalho), em virtude de estes materiais aumentarem o campo de ação dos absorvedores, adequando-se à elevada densidade modal verificada nas chaparias metálicas do reator.

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Marcus Antonio Viana Duarte / Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento analítico da modelagem de estruturas flexíveis do tipo treliça com o objetivo de atenuação de vibrações através do uso de técnicas de controle ativo. Atuadores de pilha piezelétricos são usados para exercer as forças de controle na estrutura, os quais substituem barras inteiras ou somente uma parte delas. Estes tipos de atuadores, também, satisfazem a necessidade de obtenção de estruturas leves. O posicionamento ótimo desses atuadores e de sensores é encontrado através da norma Hx, que é usada como função objetivo. Como técnica de controle é aplicado o Controle no Espaço Modal Independente (IMSC), no qual os estados são estimados por um estimador modal e são realimentados de acordo com a teoria de controle ótimo, o Regulador Linear Quadrático (LQR). O IMSC é eficiente computacionalmente mesmo aplicado a sistemas de alta ordem e também reduz os efeitos de spillover. Uma melhoria do IMSC, o Controle Modal Eficiente (EMC) também é apresentado com o propósito de reduzir as amplitudes das forças de controle. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos (MEF) considerando o acoplamento eletromecânico entre os atuadores de pilhas piezelétricos e a estrutura base. O projeto de uma treliça espacial, o posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas. Os resultados mostram que ambos os controladores aumentam o amortecimento da estrutura e, ainda, o EMC reduz as amplitudes das forças de controle. / Abstract: This work presents the analytic development of the modeling of flexible truss structures with the aim to suppress the mechanical vibration using active control techniques. Piezoelectric stack actuators are used to produce control force in the structure, which can replace an entire bar or can be coupled to structural members. They also satisfy the necessity to obtain lighter structures. The optimal placement of actuators and sensors is found through the Hã norm as objective function. As control technique is presented the Independent Modal Space Control (IMSC), in which a modal estimator is used and the Linear Quadratic Regulator (LQR) feedback the estimated states according the optimal control theory. IMSC is computationally efficient also applied in high order system and reduces the negative effects of the control and observer spillover. An improvement in the IMSC is the Efficient Modal Control (EMC) that is proposed to reduce the amplitudes of control forces. The mathematical model of the intelligent structure is obtained from Finite Elements Method (FEM) considering the electromechanical coupling between the piezoelectric stack actuators and the base structure. The design of a space truss structure, the optimal placement of active members and the active damping vibration control is numerically implemented. Two control techniques are tested and compared: IMSC and EMC. Results show that the controllers increase the damping of the structure noticeably. The EMC controller provides better performance, reducing the amplitudes of control forces. / Mestre

A resposta impulso é utilizada como ferramenta padrão no estudo direto de sistemas concentrados, discretos e distribuídos de ordem arbitrária. Esta abordagem leva ao desenvolvimento de uma plataforma unificada para a obtenção de respostas dinâmicas. Em particular, as respostas forçadas dos sistemas são decompostas na soma de uma resposta permanente e de uma resposta livre induzida pelos valores iniciais da resposta permanente. A teoria desenvolve-se de maneira geral e direta para sistemas de nésima ordem, introduzindo-se a base dinâmica gerada pela resposta impulso na forma padrão e normalizada, sem utilizar-se a formulação de estado, através da qual reduz-se um sistema de ordem superior para um sistema de primeira ordem. Considerou-se sistemas de primeira ordem a fim de acompanhar-se os muitos resultados apresentados na literatura através da formulação de espaço de estado. Os métodos para o cálculo da resposta impulso foram classificados em espectrais, não espectrais e numéricos. A ênfase é dada aos métodos não espectrais, pois a resposta impulso admite uma fórmula fechada que requer o uso de três equações características do tipo algébrica, diferencial e em diferenças. Realizou-se simulações numéricas onde foram apresentados modelos vibratórios clássicos e não clássicos. Os sistemas considerados foram sistemas do tipo concentrado, discreto e distribuído. Os resultados da decomposição da resposta dinâmica de sistemas concentrados diante de cargas harmônicas e não harmônicas foram apresentados em detalhe. A decomposição para o caso discreto foi desenvolvida utilizando-se os esquemas de integração numérica de Adams-Basforth, Strömer e Numerov. Para sistemas distribuídos, foi considerado o modelo de Euler-Bernoulli com força axial, sujeito a entradas oscilatórias com amplitude triangular, pulso e harmônica. As soluções permanentes foram calculadas com o uso da função de Green espacial. A resposta impulso foi aproximada com o uso do método espectral. / The impulse response is employed as a standard tool for a direct study of concentrated, discrete and distributed systems of arbitrary order. This approach leads to the development o f a unified platform for obtaining dynamical responses. In particular, forced responses are decomposed into the sum of a permanent response and a free response induced by the initial values of the permanent solution. The theory is developed in a general manner for n-th order systems; being introduced the standard dynamical basis generated by the impulse response and the normalized one, without employing the state formulation, through which a higher-order system is reduced to a first-order system. In order to follow the many results found in the literature through the state space formulation, first-order systems were considered. The methods for computing the impulse response were classified into spectral, non spectral and numeric. Emphasis was given to non spectral methods, because the impulse response has a closed-form formula that requires the use of three characteristic equations of algebraic, differential and difference type. Numerical simulations were performed with classical and non classical vibrating models. The systems considered were concentrated, discrete and distributed. The decomposition results of the forced response of concentrated systems subject to harmonic and non harmonic loads were worked out in detail. The decomposition for the discrete case was developed by using the numerical integration schemes of Adams-Basforth, Strõmer and Numerov. For distributed systems was considered the Euler-Bernoulli model with an axial force subject to oscillating inputs with triangular, pulse and harmonic amplitude. The permanent solutions were computed with the spatial Green function. The impulse response was approximated with the spectral method.