Orientador: Olivio Novaski / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-27T12:01:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Reis_MariaLuisaColluccidaCosta_D.pdf: 4162771 bytes, checksum: 01b48fd1132c38cbc7b33adc9496287f (MD5) Previous issue date: 2000 / Resumo: Descreve-se um método para expressar a incerteza de medições associadas à realização de um ensaio aeronáutico no Túnel de Vento Subsônico TA-2, do Laboratório de Ensaios Aerodinâmicos - ASA - L, do Instituto de Aeronáutica e Espaço - IAE, do Centro Técnico Aeroespacial- CT A. O formalismo empregado é o recomendado por organizações metrológicas internacionais. É apresentado o procedimento de calibração da balança multicomponente que consiste em empregar o método de regressão multivariada. Os componentes da incerteza padrão, resultantes do ajuste de curva da cahoração, são posteriormente empregados para estimar as incertezas das forças e dos momentos atuantes no modelo que está sendo submetido ao ensaio aerodinânúco. É feita uma comparação entre o método aqui proposto e o utilizado atualmente no TA-2. São também apresentadas as metodologias de medição dos parâmetros do escoamento tais como pressão e temperatura estáticas, dinâmicas e totais, massa específica, velocidade, número de Reynolds e de Mach. As fontes de erro que contribuem para a incerteza da medição são identificadas, e as correções nas cargas aerodinâmicas devido à variação da pressão dinâmica, à posição do modelo e à tara e interferência são aplicadas. São apresentadas as relações funcionais das grandezas medidas, juntamente com as expressões de incerteza combinada, seguindo padronização adotada pela comunidade metrológica internacional. O intuito deste trabalho é contnouir para o desenvolvimento da ciência e das técnicas de medição aplicáveis a ensaios em túnel de vento subsônico. O estudo desenvolvido neste trabalho ajuda o profissional do laboratório a identificar os erros que comprometem os níveis de incerteza exigidos pelo experimento, e serve como um guia de qums procedimentos de medição devem ser adotados para atingir os resultados desejados / Abstract: This thesis describes a method to express the uncertainty of measurements associatec with canying out an aeronautical test in the Subsonic Wind Tunnel T A-2, of th( Aerodynamic Testing Laboratory ASA-L. at the Institute of Aeronautics and Space - IAE at the Aerospace Technical Center - CTA The methodology employed is tha recommended by the international metrological organizations. The calibration procedure o the multi-component balance which employs multivariate regression is presented here. Th standard uncertainty components resulting ftom the curve fit are later used to estima te tb uncertainty in forces and moments acting on the model which is being tested. A compariso is made between the method proposed here and that used in TA-2. This document aIs presents the measurement methodology of the flow parameters such as static. dynamic 8IJ total pressure and temperature. density. velocity. Reynolds and Mach numbers. The em sources which contnoutes to the uncertainty of the measurements are stated. TI corrections in the aerodynamic loads due to the variation of the dynamic pressure, to ti position of the model, and to the tare and interference are applied. The functior relationships of the measured quantities are presented, together with the combin expression ofthe uncertainty, in accordance with the standards adopted by the intemational metrological community. The object ofthis study is to contribute to the development ofthe science and the techniques of measurement which are applicable to subsonic wind tunnel tests. The study carried out in this thesis helps the laboratory staff to identify the errors which compromise the uncertainty leveI required by the experimento It serves as a guide as to which measwnent procedures should be adopted to achieve the required results / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Este trabalho apresenta um estudo a respeito do comportamento do solo durante a escavação de um túnel, com foco na metodologia de escavação mecanizada. São abordadas diretrizes para a modelagem numérica de túneis com o emprego de diferentes métodos de cálculo, distintos modelos constitutivos para representação do comportamento do solo e duas maneiras de se representar o revestimento da escavação. Alguns conceitos fundamentais relacionados a escavações de túneis de grande diâmetro em solo com o emprego de máquinas tuneladoras são descritos, como os tipos de máquinas existentes (com ênfase nas máquinas do tipo EPB - Earth Pressure Balance), princípios de funcionamento e modos de operação, além de uma comparação deste método com a metodologia sequêncial tradicional. É realizada uma revisão bibliográfica sobre distintos métodos de cálculo para estimar a estabilidade de uma escavação, a previsão da deformação no maciço e os esforços atuantes no revestimento do túnel. O trabalho também apresenta uma revisão de publicações recentes a respeito da modelagem numérica de túneis escavados mecanicamente, destacando algumas diferenças em relação à metodologia sequencial. Uma das diferenças é com relação à simulação do revestimento do túnel, com a possibilidade de se considerar as propriedades das juntas dos anéis. Outro ponto distinto é o método de cálculo empregado, levando em conta na simulação aspectos específicos da escavação mecanizada, como pressão de frente aplicada, vazio anelar e injeção de grout. É feita uma breve introdução e são apresentados os conceitos básicos de dois modelos constitutivos do solo: o modelo elastoplástico perfeito conhecido como Mohr-Coulomb e o modelo elastoplástico com endurecimento Hardening Soil. Utilizando alguns dos conceitos estudados na revisão bibliográfica, são realizadas análises numéricas bidimensionais retroanalisando um caso real de escavação com tuneladora. Foi utilizado o programa de elementos finitos Plaxis para realizar comparações entre os métodos de cálculo do alívio de tensões e da contração, além da simulação do revestimento com ou sem a consideração das juntas. Por fim é feita uma análise crítica dos resultados obtidos nas diferentes modelagens numéricas. / This research presents a study about the soil behavior during the excavation of a tunnel, focusing on the mechanized excavation methodology. Guidelines for the numerical modeling of tunnels with the use of different calculation methods, distinct constitutive models to characterize the soil behavior and two ways of representing the lining of the excavation are addressed. Relevant aspects regarding excavations of large diameter tunnels in soil with the use of TBM (Tunnel Boring Machine) are presented, like types of machines, with the focus on the Earth Pressure Balance (EPB) machines, fundamental concepts of the methodology and operation modes, besides a comparison of this method with the traditional sequential methodology. A literature review on different methods of calculation to estimate the excavation stability, the prediction of ground deformation and the efforts acting in the tunnel lining is made. The research also presents a review of recent publications regarding numerical modeling of mechanically excavated tunnels, highlighting some differences with the sequential method. One of these differences is related to the simulation of the tunnel lining, with the possibility of considering the properties of the ring joints. Another different point is the calculation method employed, considering in the simulation specific aspects of mechanized excavation, as front pressure applied, ring void and grout injection. A brief introduction is made about constitutive models to represent the soil behavior and the basic concepts of two constitutive soil models are presented: Mohr-Coulomb and Hardening Soil. Using some of the concepts studied in the literature review, it is performed two-dimensional numerical analysis with a back-analysis of a real case, using the finite element model program Plaxis, comparing the calculation methods of stress relieving and contraction, as well as the tunnel lining simulation with or without consideration of the joints. Finally, it is made a critical analysis of the results of the numerical simulations.

Amostras indeformadas de um solo residual foram coletadas na zona oeste da cidade de São Paulo com o intuito de caracterizar o solo e estudar seu comportamento mecânico. Sua composição mineralógica é apresentada, assim como um estudo microscópico que identifica alguns destes minerais e evidencia sua microestrutura. Desse modo, é discutido como sua mineralogia e microestrutura influenciam em seu comportamento mecânico, estudado por meio de ensaios edométricos e de ensaios triaxiais convencionais de carregamento axial. Analisou-se sua compressibilidade, permeabilidade, seu grau de estruturação, suas relações tensão-deformação e envoltórias de escoamento, de ruptura e de Estados Críticos. O solo foi caracterizado como saprolítico, proveniente de um biotita-gnaisse milonitizado. A partir dos resultados obtidos a respeito do comportamento do solo, três modelos constitutivos escolhidos para estudo foram calibrados: elástico linear, elasto-plástico perfeito (Mohr-Coulomb) e elasto-plástico com endurecimento (Hardening-Soil). Com esta modelagem matemática, foi concebida uma modelagem numérica tridimensional de elementos finitos, a fim de simular a escavação de um túnel e de obter as trajetórias de tensões atuantes ao seu redor devidas a sua escavação. Outros ensaios triaxiais foram executados, desta vez seguindo-se as trajetórias de tensões obtidas numericamente. Os parâmetros elásticos dos três modelos constitutivos foram determinados para cada trajetória de tensões e o maciço envolvente à escavação foi modelado como sendo mecanicamente heterogêneo. Ou seja, limitaram-se zonas ao redor do túnel com diferentes propriedades mecânicas em função da trajetória de tensões atuante. Por fim, são comparados os parâmetros geotécnicos determinados com diferentes trajetórias de tensões, assim como os resultados obtidos com ambas as modelagens numéricas. / Undisturbed samples of a residual soil had been collected from the west zone of São Paulo city, in order to characterize the soil and study its mechanical behaviour. Its mineralogical composition is presented, as well as a microscopic study which identifies some of these minerals and evinces its microstructure. Thus, how the soil mineralogy and microstructure influence its mechanical behaviour is discussed, which was studied by means of oedometer tests and conventional axial loading triaxial tests. One analysed the soil compressibility, permeability, structuring degree, stress-strain relations and yielding, rupture and Critical State envelopes. The soil had been characterized as saprolite, derived from a biotite-gneiss. Based on the results concerning the soil behaviour, three constitutive models were calibrated: linear elastic, elastic perfectly plastic (Mohr-Coulomb), and elastic-plastic with hardening (Hardening Soil). With this mathematical modelling, a three-dimensional numerical model with finite elements was designed, for the purpose of simulating a tunnel excavation and obtaining the stress paths around it due to its excavation. Other triaxial tests were carried out, this time by following the stress paths numerically obtained. The elastic parameters of the three constitutive models had been determined for each stress path and the ground surrounding the excavation had been modelled as a mechanically heterogeneous media. I.e., zones around the tunnel had been limited by its different mechanical properties, as a function of the actual stress path. Finally, the geotechnical parameters determined by different stress paths are compared, as well as the results obtained for both numerical models.

Acidentes em obras de engenharia são frequentemente atribuídos a \"imprevistos ou surpresas geológicas\". Tal denominação denota um desconhecimento relativo da geologia dos maciços rochosos nos quais estas obras são implantadas. Este desconhecimento traduz o quadro de incertezas que permeia o ambiente geológico, responsável por inúmeros insucessos em obras de engenharia. Em vista das dificuldades que o meio técnico encontra para equacionar o problema o estudo propõe a incorporação destas incertezas ao projeto e construção de túneis em áreas urbanas, através da análise de decisão. A metodologia e o modelo de decisão propostos envolveram uma estratégia para redução do risco, apoiada em dois princípios básicos: reduzir as incertezas através da obtenção de um maior número de informações geológicas do maciço ou limitar o impacto das incertezas no desempenho técnico e econômico do projeto, adotando-se alternativas de construção que, em princípio, podem parecer mais caras. A aplicação do modelo de decisão exige a estimativa de probabilidades da ocorrência de eventos aleatórios, que são tratadas segundo os princípios da Teoria das Probabilidades, em sua visão subjetiva. A proposta metodológica desenvolvida foi aplicada na região das marginais do rio Pinheiros, correspondente a um subtrecho do túnel da Linha 4 - Amarela, da Companhia do Metropolitano de São Paulo - METRO, atualmente em processo de licitação. O trecho analisado foi caracterizado como de alto risco nas análises efetuadas, e os resultados obtidos demonstraram que o modelo de decisão adotado foi capaz de diferenciar a melhor alternativa para redução do risco bem como indicar o método de escavação do túnel que, frente ao critério de risco inicialmente estabelecido, fosse o mais econômico. / Failures in engineering works are always attributed to geological uncertainty. These facts denote that there is a significant lack of knowledge of the rock mass behavior where the works are developed. This lack of knowledge reflects the uncertainty associated to the geological environment, and responsible for several accidents in civil works. Aiming at solving that problem, this thesis proposes to incorporate these uncertainties in the design and construction of tunnels in urban areas, using decision theory. The methodology and decision model suggested evolves a risk reduction strategy based on two basic principles: 1) to reduce the uncertainty through the addition of more geologic information (obtained by more investigation) and 2) to limit the impact of the uncertainty in the technical and economical performance of the design, adopting construction alternatives that, initially, may appear more expensive. The application of the decision model implies the estimation of the probabilities that aleatory events may occur, which are analyzed according the Probability Theory in its subjective approach. The methodology here proposed was applied in the region of the marginal Rio Pinheiros avenue, corresponding to a portion of the Line 4 - Yellow, of the Metropolitano de São Paulo - METRO. The portion submitted to the analysis showed to be of high risk and the results obtained demonstrated that the decision model proposed and adopted was able to differ the best alternative to reduce the risk, as well as to indicate the most appropriate construction method considering the risk criterion initially established.

Este trabalho visa desenvolver através da utilização das técnicas de identificação e controle, um sistema de controle automático da pressão dinâmica do escoamento do túnel aerodinâmico n. 3, do Instituto de Aeronáutica e Espaço, onde são realizados ensaios de calibração de anemômetros. O objetivo principal é a minimização do tempo de realização da calibração através da diminuição do tempo de ajuste da velocidade de um motor. A proposta é identificar o modelo do túnel considerando-o uma caixa preta, e utilizar um controlador PI para atingir a pressão dinâmica desejada para o ensaio de calibração sem que ocorra sobrecarga de corrente. O sinal de erro entre a referência e o sinal proveniente de um transdutor de pressão dinâmica é considerado o sinal de entrada do controlador PI. O sinal de saída é o comando do conversor estático de tensão que alimenta o motor. Todos os procedimentos para a determinação experimental dos parâmetros do controlador PI foram simulados previamente através do Matlab. O controlador PI foi implementado em software Catman 3.1 para utilização com sistema de aquisição de dados Mgcplus, e os sinais simulados foram comparados aos sinais reais. Os resultados obtidos com este trabalho foram considerados satisfatórios, e o controle PI está em utilização no laboratório do Túnel Aerodinâmico n. 3, minimizando de forma significativa o tempo de realização dos ensaios. A repetitividade do ensaio foi uma outra melhoria alcançada, prevista com a introdução dessa inovação tecnológica.

Injetores supersônicos são instalados em túneis de vento transônicos com a finalidade de estender o envelope operacional baseado no número de Reynolds, sem demandar maior potência do compressor principal. O objetivo deste trabalho é estudar numericamente o processo de injeção do Túnel Transônico Piloto do CTA. A câmara de injeção contém cinco bicos injetores localizados no piso e cinco no teto do túnel, os quais operam com número de Mach 1,9, fornecendo quantidade de movimento adicional à corrente principal do circuito do túnel. Tal câmara na verdade é a própria seção de transição do túnel, a qual, por sua vez, localiza-se imediatamente antes do difusor. Devido à grande diferença entre as dimensões dos injetores e da seção transversal do túnel, onde os mesmos encontram-se montados, o tratamento tem que ser necessariamente tridimensional. Para tanto foi desenvolvido um código numérico baseado nas equações de Navier-Stokes com média de Reynolds, seguindo-se o princípio do algoritmo diagonal em diferenças finitas, e efeitos de turbulência foram previstos por meio do esquema de Spalart e Allmaras. Várias hipóteses simplificadoras foram introduzidas para tornar o problema factível e a integração numérica é realizada dividindo o domínio de cálculo em sub-regiões. Mesmo assim, devido ao grande número de pontos, foi aplicada uma técnica de malhas seqüenciais para economizar o tempo computacional. O escoamento na região de mistura foi simulado com sucesso e os resultados foram todos consistentes. Com os valores dos parâmetros conhecidos em todo o domínio computacional, foram calculados o coeficiente de perda de carga, o ganho e a eficiência do processo de injeção - parâmetros estes de grande importância na engenharia de túneis de vento. Entre diversos aspectos físicos muito interessantes, destaca-se a formação de domos de choque e expansão ao longo da direção longitudinal no processo de mistura.

No ano de 2003 foi instalado no Laboratório de Engenharia Aeronáutica Prof. Feng do Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA um túnel de vento de circuito aberto, neste túnel existe uma peculiaridade, parte dele (bocal de entrada), está localizado no interior do prédio do laboratório. De tal forma que, antes do fluxo de ar ser admitido pelo bocal de entrada do túnel de vento, ele escoa pela porta do laboratório, interagindo com as paredes laterais e teto do prédio. Desta interação ocorre a formação de grandes estruturas vorticais, que são admitidas pelo túnel, resultando valores de nível de turbulência mais elevados que a expectativa inicial na seção de testes do mesmo. Com o intuito de realizar uma avaliação das conseqüências do escoamento mencionado anteriormente, foram realizadas medidas de nível de turbulência e velocidade média na região do bocal de entrada do túnel de vento, além da região interna da câmara de tranquilização (início do circuito aerodinâmico). Para reduzir o nível de turbulência na seção de testes do túnel de vento foi criado um modelo em escala 1:10 em acrílico do conjunto laboratório-túnel de vento, onde estudou-se alternativas para melhoria da qualidade do escoamento na seção de testes do túnel de vento em questão. Velocidade média e nível de turbulência também foram medidos neste modelo. Tanto para as medidas no túnel de vento quanto para as medidas no modelo em escala foi utilizada anemometria de fio quente com auxílio de um sistema de aquisição de dados. Várias configurações foram testadas no modelo em escala, com diferentes inserções de dispositivos que pudessem melhorar a qualidade do fluxo do escoamento nesta região, entre eles pode-se citar: coletores laterais e superior na porta do laboratório, inserção de divisórias de acrílico no interior do laboratório e inserção de tela. Foi desenvolvida toda uma metodologia experimental para as medidas de nível de turbulência e velocidade média no modelo em escala, especialmente devido às dificuldades para obtenção de resultados confiáveis para um regime de escoamento com baixas velocidades, situação que ocorre no modelo em escala.

A new and promising technique for improving shock tube/tunnel performance is presented. This technique is able to produce higher reservoir enthalpy levels than the ones usually obtained with conventional shock tubes/tunnels, when operating in the Equilibrium Interface Condition. The new technique, which is tentatively being called "Gaseous Piston Technique", has been proven also to prevent combustion from taking place at the air-hydrogen interface, and seems to be capable to improve the available testing time by reducing the test gas contamination by the driver gas. The qualitative agreement of both numerical and experimental investigations is very encouraging.

Apresenta-se neste trabalho uma análise comparativa entre o desempenho dos modelos constitutivos de Estados Críticos e do modelo de Mohr-Coulomb, sob o ponto de vista da simulação numérica da construção de um túnel em solo normalmente adensado. Para tanto, toma-se como caso histórico o Metrô de Brasília, no qual a passagem dos túneis gerou recalques bastante elevados em alguns trechos da obra. Estes trechos foram construídos em solo laterítico conhecido como argila porosa vermelha. Conclui-se que os modelos de estados críticos apresentam melhores resultados em termos de deslocamentos.

Este trabalho trata do modelamento do escoamento na região do flape de reentrada de um túnel transônico. A partir da solução numérica das equaçõesde Navier-Stokes com média de Reynolds e aproximação de camada fina, o fator de perda de carga total no flape, assim como a influência do flape no desempenho do difusor de alta velocidade, são quantificados e analisados. As equações são implementadas por diferenças finitas utilizando-se o algoritmo implícito de Beam e Warming. O transporte turbulento é levado em conta através de um modelo algébrico de viscosidade de vórtice, de duas camadas, devido a Baldwin e Lomax. A fim de se conseguir uma maior acurácia e robustez do modelo numérico, as condições de contorno são implementadas, onde apropriado, lançando-se mão do conceito de relações características. Os resultados deste estudo são, indubitavelmente, de grande importância para os projetistas e analistas de túneis de vento.