O presente trabalho teve como objetivo principal estudar, em caráter essencialmente numérico via ANSYS v9.0, a elevação de temperatura em seções transversais de elementos estruturais de aço e mistos de aço e concreto, com vistas a uma avaliação das equações propostas pelo método simplificado de cálculo da NBR 14323:1999, em especial, para situações em que não ocorra aquecimento uniforme por todos os lados do elemento. São apresentados modelos numéricos de seções transversais de elementos estruturais de aço, mistos de aço e concreto e, em caráter complementar, de madeira, em situação de incêndio, para avaliar a evolução dos níveis de temperatura ao longo do tempo. São também construídos e analisados modelos numéricos com vistas à análise do efeito da elevação de temperatura no comportamento mecânico em vigas de aço de um edifício de interesse. A determinação dos níveis de temperatura em seções transversais de elementos estruturais, obtidas com base nas prescrições normativas da NBR 14323:1999, conduzem a resultados satisfatórios, porém, com temperaturas próximas as temperaturas máximas obtidas numericamente. Para os casos usuais não contemplados pela NBR 14323:1999 fica evidente a necessidade do emprego de modelo avançado de cálculo ou de estudos com vistas ao desenvolvimento de ferramentas analíticas para emprego em tais situações. Com relação à análise do efeito da elevação de temperatura no comportamento mecânico, os fatores de redução de resistência para as vigas em situação de incêndio obtidos via ANSYS resultaram inferiores àqueles obtidos via TCD v5.0, com base na análise da seção transversal e procedimentos normativos. / This research presents a study, within the context of numerical analysis with ANSYS v9.0, in which the main goal has been driven to obtain the rise of temperature in steel and composite steel-concrete structural elements cross sections with the purpose of evaluating the temperature determination by normative equations proposed in brazilian standard NBR 14323:1999, considering the simple calculation model, specially in situations with not uniform exposition of the elements cross sections to the fire. Numerical models of steel, composite steel-concrete and wooden structural elements cross sections in fire situation are presented to evaluate the levels of temperature throughout the time. Numerical models to analyze the effect of the rise of temperature in the mechanical behavior of steel beams of a building of interest are also presented. The temperature levels obtained for structural elements by prescriptions of NBR 14323:1999 lead to satisfactory results but with temperatures near to the maximum temperatures obtained numerically. For the usual cases not contemplated by the NBR 14323:1999, is evident the necessity of employing advanced calculation models or studies for the development of analytical methods for such situations. With respect to the analysis of temperature rising effects in the mechanical behavior, the reduction factors for the resistance in fire situation, obtained by ANSYS, resulted smaller than those ones obtained by TCD v5.0, with base on the analysis of elements cross sections and normative procedures.

Orientador: Flávio Junior Caires / Banca: Edilene Cristina Ferreira / Banca: Roni Antônio Mendes / Banca: Jose Marques Luiz / Banca: Rita de Cassia da Silva / Resumo: O presente trabalho visa à síntese, caracterização e estudo termoanalítico dos isonicotinatos de lantânio(III), cério(III), praseodímio(III), neodímio(III), samário(III), európio(III), gadolínio(III), térbio(III), disprósio(III), hólmio(III), érbio(III), túlio(III), itérbio(III), lutécio(III) e ítrio(III) no estado sólido. A síntese foi realizada por precipitação, tendo como precursores o ácido isonicotínico, e os óxidos dos respectivos metais. A caracterização dos compostos obtidos foi realizada empregando-se métodos analíticos clássicos, e as técnicas de Termogravimetria e calorimetria exploratória diferencial simultânea (TG-DSC), espectroscopia de absorção na região do infravermelho (IV) com transformada de Fourier (FTIR), termogravimetria acoplada à espectroscopia de absorção na região do infravermelho (TG/FTIR), calorimetria exploratória diferencial (DSC), e difração de raios X pelo método do pó (DRXP). A partir dos dados das análises a estabilidade térmica, comportamento térmico, principais produtos gasosos liberados durante a decomposição térmica, estequiometria, quantidade e modo de interação das moléculas de água presentes, cristalinidade e modo de coordenação metal-ligante foram determinados. Os resultados foram ainda comparados com dados da literatura. / Abstract: The present work aims at the synthesis, characterization and thermoanalytical study of isonicotinates of lanthanum (III), cerium (III), praseodymium (III), neodymium (III), samarium (III), europium (III), gadolinium (III), dysprosium (III), holmium (III), erbium (III), thulium (III), ytterbium (III), lutetium (III) and yttrium (III) solid. The synthesis was carried out by precipitation, having as precursors the isonicotinic acid, and the oxides of the respective metals. The characterization of the obtained compounds was carried out using classical analytical methods, and the techniques of thermogravimetry and simultaneous differential scanning calorimetry (TG-DSC), absorption spectroscopy in the infrared (IV) region with Fourier transform (FTIR), coupled thermogravimetry infrared absorption spectroscopy (TG / FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), and X-ray diffraction by the powder method (XRD). From the analysis data the thermal stability, thermal behavior, main gaseous products released during thermal decomposition, stoichiometry, amount and mode of interaction of the water molecules present, crystallinity and mode of metal-bonding coordination were determined. The results were also compared with data from the literature. / Doutor

Neste trabalho são descritas as sínteses dos ligantes 1,3-ditiano-1-óxido (DTSO), cis-1,3-ditiano-1,3-dióxido (cis-DTSO2) e trans-1,3-ditiano-1,3-dióxido (trans-DTSO2</sub), bem como dos picratos de lantanídeos hidratados (Ln(pic)3 &#183; xH2O) e de seus compostos de adição. As técnicas analíticas utilizadas para a caracterização dos ligantes, picratos de lantanídeos hidratados e compostos de adição foram: análise elementar de C, H, N e S, determinação de Ln por titulação complexométrica com EDTA, espectroscopia vibracional de absorção na região do infravermelho, medidas de intervalo de fusão, testes de solubilidade, ressonância magnética nuclear, difração de raios-X (método do pó), condutância eletrolítica molar, espectroscopia de absorção na região do visível para os compostos de neodímio, espectroscopia de luminescência do európio, difração de raios-X (método do monocristal) e análise térmica. Estudos de RMN de 1H e 13C dos ligantes em clorofórmio deuterado, associados a outras técnicas de caracterização, certificaram a obtenção dos ligantes sintetizados e permitiram também diferenciar os isômeros eis e trans-DTSO2. A conformação equatorial do ligante DTSO no estado cristalino foi determinada por difração de raios-X (método do monocristal); em solução, foi determinada por RMN. A estabilidade térmica dos ligantes foi examinada por análises TG/DTG e DSC. Os dados termoanalíticos indicaram a seguinte ordem crescente de estabilidade térmica: DTSO, trans-DTSO2 e cis-DTSO2. Estudou-se a decomposição térmica dos picratos de lantanídeos hidratados por TG/DTG e DSC. O número de moléculas de água de hidratação foi quantificado por TG e análise elementar. As estequiometrias dos compostos de adição foram sugeridas a partir dos resultados de análise elementar, análise térmica e confirmadas pela resolução das estruturas por difração de raios-X do monocristal: Ln(pic)3 &#183; 3DTSO (Ln= La - Lu, Y); Ln(pic)3 &#183; 3cis-DTSO2 (Ln= La e Ce); Ln(pic)3 &#183; 4cis-DTSO2 &#183; 2 H2O (Ln = Pr - Lu, Y) e Ln(pic)3 &#183; 2trans-DTSO2 (Ln= La - Lu, Y). Os espectros de absorção na região do infravermelho evidenciaram que a coordenação dos ligantes ao íons lantanídeos se dá pelo oxigênio do grupo S=O. A coordenação dos ânions picratos aos íons lantanídeos nos compostos de adição foi avaliada por espectroscopia vibracional de absorção na região do infravermelho e por difração de raios-X do monocristal. Os parâmetros de covalência calculados para os compostos de Nd, a partir dos espectros de absorção na região do visível, indicaram que a ligação metal-ligante apresenta caráter iônico predominante. O estudo da simetria ao redor do íon lantanídeo foi desenvolvida com base nos espectros de emissão na região do visível dos compostos de Eu(III). São sugeridas como simetrias mais prováveis: C4v para o Eu(pic)3 &#183; 3DTSO, C4 para o Eu(pic)3 · 4cis-DTSO2 &#183; 2 H2O e C2v para o Eu(pic)3 &#183; 2trans- DTSO2. Os tempos de vida medidos para os compostos de európio indicaram que a luminescência do íon Eu(III) no composto com o ligante trans-DTSO2 (&#964; = 0,51 ms) é ligeiramente mais efetiva do que no composto com o ligante DTSO (&#964; = 0,40 ms) e muito maior do que no composto com o ligante cis-DTSO2. Este último apresentou um decaimento quase instantâneo, não tendo sido possível quantificá-lo. O isomorfismo entre os compostos foi examinado por difração de raios-X (método do pó). Nos compostos com o ligante DTSO constatou-se a existência de somente uma única série isomorfa. Nos compostos com o ligante cis-DTSO2 foram obtidas duas séries, uma formada por La e Ce e outra por Pr-Lu e Y. Nos compostos com o ligante trans-DTSO2, obteve-se uma única série. Os poliedros de coordenação foram obtidos por difração de raios-X (método do monocristal), tendo sido obtidos: para o Gd(pic)3 &#183; 3DTSO, número de coordenação nove, o antiprisma quadrado monoencapuzado; para o Ho(pic)3 &#183; 4cis-DTSO2 &#183; 2H2O, número de coordenação oito, o antiprisma quadrado; para o Eu(pic)3 &#183; 2trans-DTSO2, número de coordenação oito, o prisma trigonal biencapuzado. A estabilidade térmica dos compostos de adição para um mesmo lantanídeo, de modo geral, mostrou-se bastante semelhante. Os compostos da série cis-DTSO2 são os menos estáveis, decompondo-se em temperaturas menores em comparação aos outros dois que apresentam estabilidade semelhante. Os compostos da série DTSO são os únicos que apresentaram fusão separada da decomposição, enquanto que os outros fundem-se e decompõem-se simultaneamente. Os resíduos da decomposição térmica a 900ºC foram identificados como sendo dioxissulfatos de lantanídeos, Ln2O2SO4. / In this work the synthesis of the ligands 1,3-dithiane-1-oxide (DTSO), cis-1,3-dithiane-1,3-dioxide (cis-DTSO2) and trans-1,3-dithiane-1,3-dioxide (trans-DTSO2), hydrated lanthanide picrates (Ln(pic)3 &#183; xH2O), and of their addition compounds 1s described. The analytical techniques used for the ligands, picrates and addition compounds characterization were elemental analysis of C, H, N and S, determination of Ln by complexometric titration with EDTA, absorption spectroscopy in the infrared region, X-ray powder diffraction, X-ray single-crystal diffraction, thermal analysis, melting point measurements, solubility tests, nuclear magnetic resonance, conductance measurements, absorption spectroscopy in the visible region for the Nd compounds and emission spectroscopy for the Eu compounds. Studies of 1H NMR and 13C NMR spectrum of the ligands in CDCl3, associated to other techniques, certified the obtainment of the synthesized ligands and allowed the differentiation of the cis and trans-DTSO2 isomers. The equatorial conformation of the DTSO ligand in the crystalline state was determined by X-ray diffraction, as well as in solution by NMR. The thermal stability of the ligands was examined by TG/DTG and DSC analyses. Data from thermal analysis indicated the ascending order of thermal stability as follows: DTSO, trans-DTSO2 and cis-DTSO2. It was studied the thermal decomposition of the hydrated lanthanide picrates by TG/DTG and DSC analyses. The number of hydration water molecules was quantified by TG and elemental analyses. The stoichiometry of the addition compounds was proposed by elemental analysis, thermal analysis and mainly by the resolution of the structures using X-ray diffraction (single crystal method): Ln(pic)3 &#183; 3DTSO (Ln= La - Lu, Y); Ln(pic)3 &#183; 3cis-DTSO2 (Ln= La and Ce); Ln(pic)3 &#183; 4cis-DTSO2 &#183; 2H2O (Ln= Pr - Lu, Y) and Ln(pic)3 &#183; 2trans-DTSO2 (Ln= La- Lu, Y). IR spectra suggest that the coordination of the ligand to the lanthanide ion occurs through the oxygen atom of the S=O group. The coordination of the picrate anions to the lanthanide ion, in the addition compounds, was studied by IR absorption spectra and their structures were resolved by X-ray diffraction. The parameters obtained from the absorption spectrum of the solid Nd compound for the 2G7/2, 4G5/2 &#8592; 4I9/2 transitions indicated that the metal-ligand bonds show weak covalent character. The bands 5D0 &#8592; 7FJ (J=0,1,2,3,4) transitions for the emission spectra of the Eu compound were interpreted in terms of C4v symmetry for Eu(pic)3 &#183; 3DTSO, C4 symmetry for Eu(pic)3 &#183; 4cis-DTSO2 &#183; 2H2O and C2v symmetry for Eu(pic)3 &#183; 2trans-DTSO2. The life time measurements for the Eu(III) compounds indicated that the luminescence of the ion Eu(III) in the trans-DTSO2 compound (0,51 ms) is slightly more effective than that in the compound with the DTSO ligand (0,40 ms), and much larger than that in the compound with the cis-DTSO2 ligand. The latter showed an almost instantaneous decay, and therefore it was not possible to quantify it. X-ray powder patterns showed only one isomorphous series for the DTSO compounds; two isomorphous series, one with La-Ce and another with Pr - Lu, Y, for the cis-DTSO2 compounds, and only one isomorphous series for the trans-DTSO2 compounds. The polyhedron coordination obtained from single-crystal X-ray diffraction was interpreted for Gd(pic)3 &#183; 3DTSO, nine-coordination, as monocapped square antiprism; for Ho(pic)3 &#183; 4cis-DTSO2 &#183; 2H2O, eight-coordination, as square antiprism, and for Eu(pic)3 &#183; 2trans-DTSO2, eight-coordination, as bicapped trigonal prism. The thermal stability of the addition compounds for a given lanthanide was found to be quite similar. The compounds of the cis-DTSO2 series are the less stable, decomposing at lower temperatures compared to the other two ones, that have similar thermal stability. Only the compounds from the DTSO series showed separate melting and decomposition events, while the other ones undergo melting and decomposition simultaneously. The residues after thermal decomposition at 900°C were found to be lanthanide dioxysulfates, Ln2O2SO4, result further confirmed by usual analytical so/tests and IR spectroscopy.

A presente Dissertação apresenta algumas metodologias disponíveis para o dimensionamento do material de revestimento contra fogo de estruturas de aço em situação de incêndio. Incluem-se métodos analíticos simplificados conforme normas em vigor e resultados de análises experimentais obtidos por laboratórios internacionais e nacional. Detalha-se também a aplicação do programa de computador Super Temp Calc (STC), em análise térmica e dimensionamento de pilares, revestidos ou não por material de revestimento contra fogo, em contato com alvenarias. Comparações entre esses métodos e sugestões de emprego para a prática de projeto também são contemplados neste trabalho. / This present work shows some methodologies to determine the thickness of the fire protective material in steel structures in a fire situation. It shows analytical methods based on actual standards and results of experimental analysis by international and national laboratories. The application of the program Super Temp Calc (STC) is detailed, by thermal analysis and designs of columns, with fire protection or not, in contact with masonry. Comparisons between some methods and suggestions by use for design´s practical also are contemplated in this work.

Ferros fundidos cinzentos ligados com cromo e molibdênio são utilizados em cabeçotes de motor para se obter alta resistência à tração e à fadiga (com menores seções), maior resistência à temperaturas elevadas e maior estabilidade térmica. No presente trabalho é feita uma avaliação da influência da adição dos elementos de liga cromo e molibdênio na solidificação e na formação de rechupes em ferros fundidos cinzentos, através da fundição de corpos de prova com diferentes composições químicas, variando porcentagens de cromo e molibdênio comumente utilizadas em ferros fundidos cinzentos de alta resistência. Além da composição química, foi variada a porcentagem de inoculação nas ligas, através da adição de 0,2% e 0,6% do inoculante FeSi75. A simulação de fundição, utilizando o software para simulação do processo de fundição Magmasoft, foi aplicada para desenvolver um corpo de prova com tempo de solidificação similar ao de um cabeçote de motor. Depressões foram detectadas no topo dos corpos de prova, tendo sido caracterizadas como rechupes primários; microrechupes foram detectados no centro térmico, caracterizados por rechupes secundários. O volume das depressões foi medido, através de preenchimento com água. Os microrechupes foram avaliados de forma qualitativa através do ensaio de líquidos penetrantes e análise metalográfica. A avaliação da seqüência e morfologia de solidificação das fases formadas foi realizada através de análise térmica e, posteriormente, através de análises metalográficas. As temperaturas de reação eutética estável e metaestável foram calculadas através de software de termodinâmica computacional Thermocalc. A adição dos elementos de liga Cr e Mo em menores teores não causaram diferenças significativas no volume das depressões, tão pouco na presença de microrechupes. Porém adições combinadas de 0,4%, 0,6% e 1,0% de cromo e molibdênio apresentaram um aumento significativo no volume de depressão. Os resultados de simulação apresentaram resultados e curvas de solidificação similares às obtidas na prática industrial e maior tendência para a formação de rechupes primários com adições crescentes de cromo e molibdênio. Já em relação à tendência à formação de microrechupes somente adições combinadas de 0,6% e 1,0% apresentaram efeito significativo. Maiores porcentagens de adição de inoculantes aumentaram o volume tanto de depressões quanto de microrechupes, principalmente nas ligas contendo 1,0% de cromo e molibdênio. / Grey cast iron alloyed with chromium and molydnenum are used in cylinder heads to obtain high fatigue and ultimate strength (with less wall thickness), higher strength to elevated temperatures and higher thermal stability. This research presents an evaluation of the influence of chromium and molybdenum in solidification and shrinkage defects of grey cast iron alloys. The evaluation was made varying the percentages of chromium and molybdenum commonly used in high resistance grey cast iron alloys. Also the percentage of inoculation was varied with additions of 0,2% and 0,6% of the inoculant FeSi75. The foundry simulation, applying the software to simulate the foundry process MagmasoftÒ, was used to develop a test cast that should present the same solidification time of a cylinder head. Primary shrinkage defects were detected in the top of the test parts characterized as sinks and secondary shrinkage defects were detected in the hot spots, characterized as micro shrinkage porosity. Sinks volumes were measured by water filling. The micro shrinkage porosity was evaluated by liquid penetrant examination and metallographyc analysis. The solidification sequence and morphology of the phases were evaluated by thermal and metallographyc analysis. The stable and metastable eutectic reaction temperatures were calculated by ThermocalcÒ software. The compositions with less alloy additions did not present differences in the sinks or in the micro shrinkage porosity volumes. But combinations of 0,4%, 0,6% and 1,00 % of chromium and molybdenum presented a significant increase of sinks volumes. The simulation results presented similar results of solidification and cooling curves measured in the foundry and also presented the same tendency of primary shrinkage defects increase with additions of chromium and molydenum. Combinations of 0,6% and 1,00% of chromium and molybdenum presented an increase of micro shrinkage porosity volumes. Higher inoculant additions increased the volumes of both defects, mainly in combinations of 1,00% of chromium and molybdenum.

As vigas de concreto armado perdem capacidade resistente quando em situação de incêndio. A ferramenta mais prática para o dimensionamento dessas peças é o método tabular, apresentado na ABNT NBR 15200:2012, em que a partir do tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF) se encontram a largura mínima da seção transversal e a menor distância admissível entre o centro geométrico da armadura e a face aquecida. Contudo, apesar de simples, ele limita os cálculos a poucos valores tabelados, não permitindo ao engenheiro buscar soluções diferentes. Por isso, nesta Dissertação, desenvolveu-se um método alternativo, com o auxílio do programa de computador sueco Super Tempcalc. A priori, definiu-se o campo de temperaturas de vigas sob lajes sujeitas ao incêndio-padrão ISO 834 (1999), em função do tempo. Em seguida, considerando-se a redução das resistências do concreto e do aço, calculou-se o momento fletor resistente para os diferentes casos estudados. Foram analisadas térmica e estruturalmente vigas com diversas larguras, alturas, cobrimentos, diâmetros e disposições de armaduras. Os momentos resistentes em situação de incêndio derivados do programa foram comparados a valores provindos de métodos simplificados, propostos pelas normas brasileira e europeia (Eurocode 2 parte 1-2, 2004) e, ainda, a um método mais avançado. Após a validação dos dados, criaram-se gráficos que associam o parâmetro µ, relação entre o momento fletor solicitante em situação de incêndio e o momento fletor resistente à temperatura ambiente, ao tempo de resistência ao fogo (TRF), para cada situação de interesse. Esses gráficos, que envolvem tanto armaduras positivas quanto negativas, também permitem levar em conta a redistribuição de momentos, o que conduzirá à otimização na solução encontrada. Nos exemplos de aplicação realizados, os resultados obtidos a partir do método gráfico se mostraram, em geral, mais econômicos, quando comparados aos do método tabular. / Reinforced concrete beams lose their load capacity when subjected to fire. The most practical tool for their design is the tabular method, presented in ABNT NBR 15200:2012, in which, from the time required for fire resistance (TRRF), the minimum width of the transversal section and the smallest admissible distance between the centroid of the rebar and the heated face can be found. Yet, albeit simple, it limits the calculation to a few fixed values, not allowing the engineer to seek different solutions. Hence, an alternative method was developed in this Dissertation, using the Swedish Super Tempcalc software. Firstly, the temperature field of beams subjected to ISO 834 (1999) standard fire situation was defined, as a function of time. Next, considering the reduction in concrete and steel strength, the resistance bending moment was calculated for the different cases studied. Beams with different widths, heights, covers, diameters and reinforcing bars dispositions were thermally and structurally analyzed. The resistance moments in fire situation obtained from the software were compared to values deriving from simplified methods, proposed by Brazilian and European (Eurocode 2 part 1-2, 2004) standards, besides a more advanced method. After data validation, graphs were created, associating the parameter µ, ratio between the applied bending moment in fire and the resistance bending moment at ambient temperature, to time for fire resistance (TRF), for each situation of interest. These graphs, involving both positive and negative reinforcement, also allow consideration of the redistribution of moments, which will lead to the optimization of the solution found. In the examples analyzed, the results deriving from the graphic method were generally more economic compared to the tabular method.

A miniaturização de elementos mecânicos como pontes e vigas por meio de processos de fabricação antes utilizados exclusivamente em microeletrônica, levou ao desenvolvimento de sensores físicos que hoje são onipresentes no dia-dia. Desses elementos, o cantilever, ou viga engastada, é a estrutura mais simples, porém, quando miniaturizado em escala micrométrica, suas propriedades mecânicas como frequência de ressonância e curvatura são muito sensíveis a eventos que ocorrem em sua superfície. Stresses superficiais mínimos, como aqueles gerados pela adsorção de monocamadas na superfície, causam deflexões em uma escala que é facilmente medida com técnicas relativamente simples. Além disso, a frequência de ressonância que é característica da estrutura, é proporcional à mudanças relativas de massa do dispositivo, sendo possível assim, a medida de massa em baixíssimas escalas. Nesse trabalho, estudou-se a utilização do microcantilever como uma plataforma para estudo de materiais, mais especificamente, materiais poliméricos. Depositando-se uma quantidade muito pequena de polímero na superfície de um microcantilever de silício, essa estrutura se curvará devido à diferenças nos coeficientes de expansão térmico entre os materiais. Medindo-se essa curvatura em função da temperatura, é possível detectar eventos térmicos que esse polímero venha sofrer. Esse efeito foi utilizado para estudar como a absorção de água afeta o evento térmico de transição vítrea do polímero PLGA. Observou-se que essa caracterização é muito mais rápida utilizando microcantilever se comparado às técnicas convencionais, além de ser também, muito sensível às variações de quantidade de água. Para a realização desses estudos, foi desenvolvido um sistema de medidas que utiliza pick-up de CDROM, retirada de um leitor comum, para medir a deflexão dos dispositivos. Esse tipo de arranjo é capaz de medir diferenças de nanômetros de deslocamento com um custo mínimo. Explorou-se a capacidade de controle de temperatura e leitura de deslocamento aplicando-se a técnica de modulação de temperatura nos estudos de eventos térmicos do PLGA. Observou-se que a modulação de temperatura é aplicável a esse tipo de medida e resultados muito semelhantes àqueles obtidos com técnicas convencionais são obtidos com uma quantidade muito menor de material. Como essas medidas foram realizadas utilizando sensores comerciais, realizamos a construção de matrizes de cantileveres no laboratório para demonstrar completo desenvolvimento desse tipo de plataforma de sensor. Empregando um polímero fotossensível relativamente novo para o desenvolvimento dessas matrizes, às utilizamos para caracterizações das propriedades mecânicas desse material. / The miniaturization of mechanical elements such as bridges or beams employing fabrication process previously used exclusively in microelectronics, resulted in the development of ubiquous physical sensors used today. The cantilever, or single supported beam is the most simple of these structures, but, when miniaturizated in the micrometer scale, the properties of the structure are highly dependent on events that takes place in its surface. Minimal superficial stresses like the ones generated by the adsorption of monolayers causes deflection of the structure in a scale that are easily measured by simple techniques. Moreover, the resonant frequency is highly dependent on relative mass changes of the device, making it a very sensitive microbalance. In this work, it was studied the application of microcantilevers as a platform for the study of materials properties, more specifically thermal analysis of polymeric material. When a very small quanitity of polymer is deposited in the surface of a silicon microcantilever, the structure will bend due to the mismatch of thermal expansion between the materials. Measuring the beam curvature in function of temperature enables the detection of thermal events suffered by the polymer. This effect was used to measure how the water absorption by the polymer affect the glass transition thermal event of the PLGA polymer. It was observed that this technique is faster if compared to traditional thermal chracterization techniques. To enable those characterizations, it was developed a measurement systems based on CDROM pick-up that can read the nanometer scale cantilever deflection with a minimum cost. The full capabilities of this system was then used to apply temperature modulation to the thermal studies of PLGA, we observed similar responses if compared to traditional approaches but with much less material use. Comercial sensors were used on these characterization, but, to present complet domain of cantilever sensor platform, we developed a fabrication process of polymeric cantilever array at the lab. These arrays were then used to extract mechanical information about the polymer used in its construction.

Made available in DSpace on 2017-07-21T18:53:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Simone Rosa da Silveira Lazzarotto.pdf: 1687996 bytes, checksum: 6af491e1aaa6d51c6be5d21a623c4dc9 (MD5) Previous issue date: 2016-03-04 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Starch is the main constituent of many plants, widely used in paper, textile, pharmaceutical and food industries. The Araucaria angustifolia, a Brazilian native conifer, there is seeds known as "pinhões" with high starch content. The aim of this study was to modify the “pinhão” starches with different concentrations of potassium permanganate (KMnO4) solutions. The samples were characterized by Thermogravimetry (TG-DTA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Viscoamilografic Analysis (RVA), X-Ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy (SEM) and colorimetry. In the TG-DTA curves with synthetic air were observed three mass loss in the samples. In this analysis were changes in the peak temperature and the intensity of thermal events of samples, where in the sample (3) of the “pinhão” starch treated with a concentration of 0.005 mol L-1 KMnO4 were more evident due to consecutive reactions. In the same analysis, but in nitrogen atmosphere, the samples showed two endothermic events of masses losses and only the sample (3) had a last exothermic event of mass loss indicative of the largest oxygen index. The DSC analyzes showed a reduction in gelatinization enthalpy values of all treated samples. These same samples showed less retrogradation tendency (setback) and lower viscosity compared with the native sample in the pasta property analysis (RVA). The X-ray diffraction of the native and treated samples showed similar profiles to the starches A - type pattern. The micrography obtained by SEM showed no significant changes regarding to the diameter and starches granules shape after modification. Through reflectance spectroscopy was showed color change for modified starch samples due to darkening caused by KMnO4.These results showed that the properties of the “pinhão” starches were changed by oxidative action of KMnO4 and future applications will be studied. / O amido é o principal constituinte de diversas plantas, amplamente utilizado em indústrias de papel, têxtil, farmacêutica, e alimentos. A Araucaria angustifolia, uma conífera nativa brasileira, possui sementes conhecidas como “pinhões” com alto teor amiláceo. O objetivo deste estudo foi modificar amidos de pinhão com soluções de diferentes concentrações de permanganato de potássio (KMnO4). As amostras foram caracterizadas por Termogravimetria (TG-DTA), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Análise Viscoamilográfica (RVA), Difratometria de Raios X, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e colorimetria. Nas curvas TG-DTA com ar sintético foram observadas três perdas de massas nas amostras. Nesta análise houve alterações nas temperaturas de pico e nas intensidades dos eventos térmicos das amostras, sendo que na amostra (3) de amido de pinhão tratado com a concentração de 0,005 mol L-1 de KMnO4, foram mais evidentes devido às reações consecutivas. Na mesma análise realizada em atmosfera de nitrogênio as amostras apresentaram dois eventos endotérmicos de perdas de massas e apenas a amostra (3) apresentou um último evento de perda de massas exotérmico indicativo do maior índice de oxigênio. Nas análises de DSC observou-se uma redução nos valores de entalpia de gelatinização das amostras tratadas. Estas mesmas amostras apresentaram menor tendência a retrogradação (setback) e menor viscosidade, em comparação com a amostra nativa nas análises de propriedade de pasta (RVA). Os difratogramas de raios X das amostras nativa e tratadas mostraram perfis semelhantes ao padrão tipo “A” de amidos. As micrografias obtidas no MEV indicaram que não houve mudanças significativas no diâmetro e na forma dos grânulos de amido após a modificação. Através da espectroscopia de reflectancia foi observada alteração de cor para as amostras de amido modificadas devido ao escurecimento provocado pelo KMnO4. Estes resultados demonstram que as propriedades dos amidos de pinhão foram alteradas pela ação oxidativa do KMnO4 e futuras aplicações poderão ser estudadas.

As lajes mistas de aço e concreto consistem de um sistema estrutural formado por fôrmas de aço (chapas perfiladas) permanentes sobre a qual é lançado o concreto armado. Após a cura do concreto, esses elementos trabalham conjuntamente, garantindo o comportamento misto. Esse tipo de sistema é amplamente utilizado na construção civil brasileira, por propiciar diversas vantagens, como a não utilização de fôrmas de madeiras e escoras. Com a finalidade de avaliar o comportamento térmico, estrutural e termoestrutural acoplado desse tipo de sistema, foram desenvolvidos modelos numéricos em elementos finitos no pacote computacional TNO DIANA em duas etapas distintas. Na primeira etapa é feita uma análise térmica bidimensional, cujos campos térmicos na seção transversal da laje são calibrados por meio de resultados experimentais disponíveis na literatura, avaliando os principais parâmetros que influenciam na distribuição de temperatura na laje, como a emissividade resultante e a resistência térmica na interface aço/concreto. Nessa etapa também se desenvolve um pós-processador em Visual Basic 11.0 capaz de ler os campos térmicos gerados pelo DIANA e calcular o momento fletor plástico resistente em função do tempo de exposição ao fogo. Esses resultados são comparados com aqueles calculados de acordo o modelo de cálculo da ABNT NBR 14323:2013. A segunda etapa consiste no desenvolvimento de modelos numéricos tridimensionais para se avaliar o comportamento termoestrutural acoplado de lajes mistas simplesmente apoiadas. Nessa etapa, primeiramente se faz a validação e calibração dos modelos numéricos à temperatura ambiente, avaliando fatores como a simetria dos modelos e a resistência ao cisalhamento longitudinal na interface entre a fôrma de aço e o concreto. Posteriormente, se realiza a validação do modelo numérico em temperatura elevada por meio de resultados experimentais disponíveis na literatura, considerando os efeitos dos gradientes térmicos na degradação das propriedades mecânicas e na expansão térmica do aço e concreto. Após a calibração do modelo numérico tridimensional em temperatura ambiente e elevada, se realizam análises paramétricas considerando a influência da armadura positiva, da espessura fôrma de aço, da resistência à compressão do concreto, da altura da laje e do vão entre apoios, por meio da curva de incêndio padrão. Os resultados obtidos dos modelos numéricos tridimensionais são comparados com aqueles obtidos pelo método do momento fletor plástico, calculados por meio dos resultados dos modelos térmicos, e de acordo o modelo de cálculo da ABNT NBR 14323:2013. / Steel-concrete composite slabs consist on a structural system comprising of permanent steel sheeting on which reinforced concrete is cast. After the cure of concrete, these elements work in conjunction, ensuring the composite behavior. This structural system is widely used in Brazilian civil construction, especially for providing several advantages, such as no use of formwork and post shores. In order to assess thermal, structural and staggered flow-stress behavior of this structural system, finite elements numerical models were developed in software TNO DIANA in two distinct steps. In the first step a two-dimensional thermal analysis is carried out, whose thermal fields in the slab cross section are calibrated by experimental results available in the literature, evaluating the main parameters that affect the temperature distribution in the slab, as the resulting emissivity and thermal resistance in the steel/concrete interaction. In this stage is also developed a post-processor in Visual Basic 11.0, which is able to read the thermal fields generated by DIANA and calculate the plastic bending moment capacity versus fire exposure time. These results are compared with those calculated according to the ABNT NBR 14323:2013 calculation model. The second step consists in the development of three-dimensional numerical models to evaluate the staggered heat-flow behavior of simply supported composite slabs. In this step, first is done the calibration and validation of the numerical models at ambient temperature, assessing factors such as the symmetry of the models and the longitudinal shear resistance between steel sheeting and the concrete. Later, numerical models are validated in fire through experimental results available in the literature, considering the effects of thermal gradients in the degradation of the mechanical properties and thermal expansion of steel and concrete. After validation of the three-dimensional numerical models at ambient and elevated temperature, parametric analysis are performed considering the influence of sagging reinforcement, the thickness of steel sheeting, compressive strength of the concrete, the slab height and the span between supports, through standard fire curve. The bending resistance of tri-dimensional numerical models is compared with that obtained by the plastic theory, calculated through the results of two-dimensional thermal models, and according to ABNT NBR 14323:2013 calculation model.

Nos travaux sont consacrés à la fabrication, à la mise en œuvre et aux caractérisations de mélanges de polymères thermoplastiques thermostables destinés à des applications aéronautiques hautes températures. Le Poly(éther cétone cétone) PEKK, polymère semi-cristallin, a été choisi pour sa température de transition vitreuse (Tg) et son point de fusion (Tf) élevés. Les polyimides amorphes utilisés pour leur Tg élevée, sont le Poly(éther imide) PEI et le (polyimide) PI. Le but de ces mélanges est d’augmenter la Tg du PEKK, sans augmenter sa température de fusion. Ces travaux ont abouti à la caractérisation thermique, mécanique et rhéologique de chacun des polymères purs ainsi qu’à la définition d’un protocole de fabrication des mélanges. Les propriétés des mélanges ont alors été caractérisées par analyses thermomécaniques, par balayage calorimétrique différentiel et par des essais de traction afin de faire ressortir les meilleurs candidats pour les applications visées. Les modèles empiriques classiques de variation de la Tg prennent en compte seulement la composition des mélanges. Dans ce travail, nous proposons de corriger ceux-ci par la prise en compte de la variation du taux de cristallinité qui influe sur la composition de la phase amorphe et ainsi permettre une prévision plus fine de ce paramètre. La tenue au vieillissement à court terme des différents polymères dans un fluide aéronautique a aussi été abordée, et a montré que le PEKK a un effet protecteur sur les mélanges. / This PhD work presents the fabrication, processing and characterizations of thermoplastic thermostable polymer blends. It aims at finding new materials useable at high temperatures for aeronautical applications. Poly(ether ketone ketone), PEKK, a semi-crystalline polymer, has been chosen for its high glass transition temperature (Tg) and high melting point (Tf). Amorphous polyimides, that have been used for their high Tg, are Poly(ether imide), PEI, and Polyimide, PI. The aim of these blends is to increase the Tg of the PEKK without increasing its Tf. We have measured the thermal, mechanical and rheological properties of each neat polymer and the processing conditions of the blends have been defined. The properties of the blends have been characterized by thermomechanical analyses, differential scanning calorimetry and tensile tests to focus on the better candidates for the aimed applications. The classical empirical models of the Tg composition dependence take only into account the blends composition. We propose to correct them taking into account the crystallinity level, that affects the blends composition and predict a better prediction of the Tg . The short term ageing of these polymer blends specimens in a commonly used aeronautic fluid has also been studied, and showed the protection effect of the PEKK polymer in the blends.