Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil. Materiais e Processos de Construção. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânicas, 2016. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2016-10-21T12:46:18Z No. of bitstreams: 1 2016_GinoBertollucciColherinhas.pdf: 4488463 bytes, checksum: 39b8ed58ce8e23506514d8e2158916b8 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-11-24T13:16:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_GinoBertollucciColherinhas.pdf: 4488463 bytes, checksum: 39b8ed58ce8e23506514d8e2158916b8 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-24T13:16:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_GinoBertollucciColherinhas.pdf: 4488463 bytes, checksum: 39b8ed58ce8e23506514d8e2158916b8 (MD5) / O objetivo desta dissertação é criar uma ferramenta de otimização via Algoritmos Genéticos (AG) para a resolução de problemas de engenharia. A implementação da otimização é realizada para dois estudos de caso e os principais algoritmos são descritos. O Estudo de Caso 1 propõe uma metodologia de projeto do controle passivo de torres eólicas do tipo TMD-Pendular. Realiza-se a investigação do mapa composto pelos picos de resposta em frequência da torre eólica obtido pela formulação analítica 2-GdL (torre eólica+pendulo). O Estudo de Caso 2 identifica as configurações de um Trato Vocal (TV). Investigam-se as áreas da seção transversal do TV através da análise modal dos modos de vibração acústica obtidas pelo modelo de Matriz de Transferência (MT). Este estudo tem como objetivo encontrar a mesma geometria de um TV obtidos via imagens por ressonância magnética da vogal ∖∖. A ferramenta de otimização via AG implementada apresenta resultados satisfatórios para os dois Estudos de Caso de engenharia propostos. Esta ferramenta apresenta uma linguagem simples e eficiente sugerida como uma alternativa aos softwares comerciais existentes. Descreve-se a teoria do AG e diferentes estratégias evolutivas. Os algoritmos implementados são estruturados utilizando os recursos do software MATLAB. ___________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The target of this work is to create an optimization toolbox using Genetic Algorithms to solve engineering problems. The implementation of the optimization are performed for two case studies and their main algorithms are described. Case study 1 proposes a design methodology of a wind tower passive control for a Pendulum TMD type, investigating the map composed by the response frequency peaks of the wind tower obtained by a 2-DoF analytical formulation (wind turbine + pendulum). Case Study 2 identifies the settings of a Vocal Tract investigating their cross section areas through the acoustical modal analysis obtained by the Transfer Matrix model. This study aims to find the same geometry of a vocal tract obained by the magnetic resonance imaging of the vowel ∖∖. This toolbox provides a simple and efficient language as an alternative for commercial softwares. It describes the theory of GA and different evolutionary strategies. The implemented algorithms are structured using the resources of MATLAB software.

Estágio realizado na TEGOPI-Industria Metalomecânica, SA e orientado pelo Eng. Ivo Gonçalves / Tese de mestrado integrado. Engenharia Industrial e Gestão. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The increasing demand for electricity required by individual and industrial consumers brings back the issues related to the exhaustion of the exiting fossil energy sources and leads to the evident needs for investments in research topics that focus on improving, developing available renew able energy sources or even creating some novel energy renewable alternatives.One of the alternatives to deal with this problem is the utilization of the wind power. The transformation of the wind forces into electrical energy is made by wind turbines supporter by steel towers.The present dissertation investigates and analysed a typical wind tower created to support a Repower MM92 wind turbine aiming to better understand its structural response. Initially a suggestion for a w ind tower structural design based on the Eurocode 3 recommendations is presented and discussed. The developed numerical model was conceived based on finite element simulation performed with the aid of the Ansys Program. The numerical model is capable of accurately reproduce the wind tower structural response when subjected to the load action imposed by the wind forces acting on the wind blades. The developed numerical model was created using shell finite elements and considers geometrical and material non-linearities.The present investigation also contemplated a dynam ical analysis aiming to evaluated the natural frequencies and associated vibration modes (modal analysis) as well as a transient harmonic analysis to evaluate the wind tower dynamic response along the time domain. The dynamical results indicated that its significan t influence on the wind tower structural response. This conclusion indicates that if only a static design is made he wind tower safety could not be warranted and couldlead to possible wind related accidents. The developed non-linear analysis enable to determine that on of the wind tower ultimate limit states is associated to the lo cal buckling of the wind tower wall, under compressive forces, and its effects must be c onsidered on the tower structural design. / O aumento do consumo de energia para atender às necessidades da população e das indústrias, trás a tona uma problemática lógica que se refere ao esgotamento das atuais fontes de energia, o que evidencia a necessidade de se investir em pesquisas que busquem aprimorar fontes de energia renovável e estudos que apontem para novas formas de capitação de energia.Uma das alternativas de contornar este problema tem sido a utilização da energia oriunda da ação do vento. A transformação da força do vento em energia elétrica é realizada através de torres de aço com turbina eólica. A presente dissertação, visando acrescentar informações no meio técnico-científico sobre o comportamento estrutural de torres de aço p ara suporte de turbinas eólicas, analisou uma torre modelo MM92 da Repower. Inicialmente, foi apresentada uma sugestão para o dimensionamento de uma torre eólica baseada nos preceitos do Eurocode para análise numérica desenvolvida neste trabalho, foi elaborado um modelo de elementos finitos baseado na plataforma A nsys capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento da torre eólica submetida ao carregamento produzido pelo vento nas pás da hélice. O modelo numérico estudado é constituído por elementos finitos de casca e considera os efeitos d as não-linearidades do material e geométrica.Também foi desenvolvido neste trabalho uma análise dinâmica com o objetivo de se avaliar as freqüências naturais, os modos de vibração (análise de autovalores e autovetores) bem como uma análise harmônica e trans iente para verificar a resposta dinâmica da torre no domínio do tempo.O resultado obtido no estudo da parcela dinâmica mostra que a resposta da estrutura pode ser determinante no seu comportament o. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento da torre e, conseqüentemente, em possíveis acidentes. A análise não-linear efetuada permitiu verificar o fenômeno de flambagem local na parede da torre sujeita a compressão, que deve ser levado em consideração durante a execução do projeto da torre eólica.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The increasing demand for electricity required by individual and industrial consumers brings back the issues related to the exhaustion of the exiting fossil energy sources and leads to the evident needs for investments in research topics that focus on improving, developing available renew able energy sources or even creating some novel energy renewable alternatives.One of the alternatives to deal with this problem is the utilization of the wind power. The transformation of the wind forces into electrical energy is made by wind turbines supporter by steel towers.The present dissertation investigates and analysed a typical wind tower created to support a Repower MM92 wind turbine aiming to better understand its structural response. Initially a suggestion for a w ind tower structural design based on the Eurocode 3 recommendations is presented and discussed. The developed numerical model was conceived based on finite element simulation performed with the aid of the Ansys Program. The numerical model is capable of accurately reproduce the wind tower structural response when subjected to the load action imposed by the wind forces acting on the wind blades. The developed numerical model was created using shell finite elements and considers geometrical and material non-linearities.The present investigation also contemplated a dynam ical analysis aiming to evaluated the natural frequencies and associated vibration modes (modal analysis) as well as a transient harmonic analysis to evaluate the wind tower dynamic response along the time domain. The dynamical results indicated that its significan t influence on the wind tower structural response. This conclusion indicates that if only a static design is made he wind tower safety could not be warranted and couldlead to possible wind related accidents. The developed non-linear analysis enable to determine that on of the wind tower ultimate limit states is associated to the lo cal buckling of the wind tower wall, under compressive forces, and its effects must be c onsidered on the tower structural design. / O aumento do consumo de energia para atender às necessidades da população e das indústrias, trás a tona uma problemática lógica que se refere ao esgotamento das atuais fontes de energia, o que evidencia a necessidade de se investir em pesquisas que busquem aprimorar fontes de energia renovável e estudos que apontem para novas formas de capitação de energia.Uma das alternativas de contornar este problema tem sido a utilização da energia oriunda da ação do vento. A transformação da força do vento em energia elétrica é realizada através de torres de aço com turbina eólica. A presente dissertação, visando acrescentar informações no meio técnico-científico sobre o comportamento estrutural de torres de aço p ara suporte de turbinas eólicas, analisou uma torre modelo MM92 da Repower. Inicialmente, foi apresentada uma sugestão para o dimensionamento de uma torre eólica baseada nos preceitos do Eurocode para análise numérica desenvolvida neste trabalho, foi elaborado um modelo de elementos finitos baseado na plataforma A nsys capaz de reproduzir com fidelidade o comportamento da torre eólica submetida ao carregamento produzido pelo vento nas pás da hélice. O modelo numérico estudado é constituído por elementos finitos de casca e considera os efeitos d as não-linearidades do material e geométrica.Também foi desenvolvido neste trabalho uma análise dinâmica com o objetivo de se avaliar as freqüências naturais, os modos de vibração (análise de autovalores e autovetores) bem como uma análise harmônica e trans iente para verificar a resposta dinâmica da torre no domínio do tempo.O resultado obtido no estudo da parcela dinâmica mostra que a resposta da estrutura pode ser determinante no seu comportament o. Nesse caso, a utilização de uma análise estrutural estática pode resultar no mau dimensionamento da torre e, conseqüentemente, em possíveis acidentes. A análise não-linear efetuada permitiu verificar o fenômeno de flambagem local na parede da torre sujeita a compressão, que deve ser levado em consideração durante a execução do projeto da torre eólica.

O trabalho dedica-se ao estudo das torres eólicas protendidas de concreto, com a finalidade de promover a discussão sobre os critérios de dimensionamento, tema de grande relevância na atualidade. Para tal, foi considerada uma torre eólica de 100 m de altura provida de turbina de 5 MW, cujas ações foram obtidas da literatura. O carregamento de vento ao longo da torre foi tratado como estático equivalente de acordo com disposições normativas, através de uma forma simplificada para a adoção de uma velocidade de projeto equivalente à incidente no rotor. Com base na literatura, apenas as condições mais críticas foram adotadas no dimensionamento. As combinações entre os carregamentos e os coeficientes parciais de segurança foram delineados a partir do método dos estados limites, o qual se encontra amplamente difundido em normas de projeto. Os esforços e deslocamentos na torre foram obtidos pelo método dos elementos finitos com discretização em elementos finitos unidimensionais, considerando as não linearidades física e geométrica por intermédio do acoplamento de um programa comercial de elementos finitos com algoritmo desenvolvido em linguagem MATLAB, que tanto define as diversas geometrias de cada elemento ao longo da torre (seção variável), como obtém para cada um: a armadura ativa longitudinal a partir de perdas de protensão recalculadas, o diagrama momento-curvatura-força normal, e a armadura passiva longitudinal escalonada, que é otimizada durante o processo do dimensionamento. Quanto à resistência ao esforço cortante das seções anulares, foi proposto um modelo que apresentou boa concordância com os resultados experimentais obtidos na literatura. Além dos concretos convencionais, é discutido o estado-da-arte do concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras, CUADRF, tratando sobre seu desenvolvimento histórico, composição, diferentes tipos, propriedades mecânicas, aplicações, recomendações para projeto e as simplificações adotadas quanto ao seu uso nas torres eólicas. Ao final foram realizadas análises paramétricas relativas à geometria e à classe de concreto para dois tipos de torres: em tronco de cone e de variação parabólica. Uma das principais conclusões do trabalho é que a otimização da área de aço passivo ocorre de forma sistemática para as torres de frequência natural mais baixa, tornando indispensável o uso de um modelo não linear para o correto dimensionamento. Além disso, as torres obtidas foram comparadas através do custo material total, constatando-se que as torres mais econômicas possuíam variação parabólica. Isso permitiu aferir um valor inicial para o qual o uso do CUADRF em torres eólicas passaria a ser competitivo. / The work is dedicated to the study of prestressed wind towers of concrete, in order to promote discussion on the design criteria, highly relevant topic today. For this purpose, it was considered a wind tower 100 m high provided with 5 MW turbine, whose actions were obtained from the literature. The wind loading along the tower was treated as static equivalent in accordance with design codes, through a simplified way for the adoption of a design speed equivalent to that incident on the rotor. Based on the literature, only the most critical conditions were adopted in the design. The combinations between loads and partial safety factors were outlined by the limit states method, which is widespread in design standards. The forces and displacements in the tower were obtained by the finite element method with discretization in frame elements, through material and geometric nonlinearities. This was done through coupling of a commercial finite element program with algorithm developed in MATLAB language, which defines both the various geometries of each element along the tower (variable section), and obtains for each: prestressing reinforcement from recalculated prestressing losses, the moment-curvature-normal diagram, and the stepped longitudinal passive reinforcement that is optimized during the design process. For the shear strength of the annular sections, a model that showed good agreement with the experimental results obtained in the literature was proposed. In addition to conventional concrete, the state-of-the art of ultra-high performance fiber reinforced concrete, UHPFRC, is discussed, dealing on its historical development, composition, different types, mechanical properties, applications, recommendations for design and simplifications adopted on its use in wind towers. At the end were performed parametric analyzes of the geometry and the concrete class for two types of towers: frustoconical and with parabolic variation. One of the main conclusions is that the optimization of passive steel area occurs systematically to the lower natural frequency towers, making it essential to use a nonlinear model for proper design. Moreover, the towers obtained were compared with the total material cost, having noticed that most economical towers had parabolic variation for the constraints here imposed. This allowed the assessment of an initial value for which the use of UHPFRC in wind turbine towers would be competitive.

O trabalho dedica-se ao estudo das torres eólicas protendidas de concreto, com a finalidade de promover a discussão sobre os critérios de dimensionamento, tema de grande relevância na atualidade. Para tal, foi considerada uma torre eólica de 100 m de altura provida de turbina de 5 MW, cujas ações foram obtidas da literatura. O carregamento de vento ao longo da torre foi tratado como estático equivalente de acordo com disposições normativas, através de uma forma simplificada para a adoção de uma velocidade de projeto equivalente à incidente no rotor. Com base na literatura, apenas as condições mais críticas foram adotadas no dimensionamento. As combinações entre os carregamentos e os coeficientes parciais de segurança foram delineados a partir do método dos estados limites, o qual se encontra amplamente difundido em normas de projeto. Os esforços e deslocamentos na torre foram obtidos pelo método dos elementos finitos com discretização em elementos finitos unidimensionais, considerando as não linearidades física e geométrica por intermédio do acoplamento de um programa comercial de elementos finitos com algoritmo desenvolvido em linguagem MATLAB, que tanto define as diversas geometrias de cada elemento ao longo da torre (seção variável), como obtém para cada um: a armadura ativa longitudinal a partir de perdas de protensão recalculadas, o diagrama momento-curvatura-força normal, e a armadura passiva longitudinal escalonada, que é otimizada durante o processo do dimensionamento. Quanto à resistência ao esforço cortante das seções anulares, foi proposto um modelo que apresentou boa concordância com os resultados experimentais obtidos na literatura. Além dos concretos convencionais, é discutido o estado-da-arte do concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras, CUADRF, tratando sobre seu desenvolvimento histórico, composição, diferentes tipos, propriedades mecânicas, aplicações, recomendações para projeto e as simplificações adotadas quanto ao seu uso nas torres eólicas. Ao final foram realizadas análises paramétricas relativas à geometria e à classe de concreto para dois tipos de torres: em tronco de cone e de variação parabólica. Uma das principais conclusões do trabalho é que a otimização da área de aço passivo ocorre de forma sistemática para as torres de frequência natural mais baixa, tornando indispensável o uso de um modelo não linear para o correto dimensionamento. Além disso, as torres obtidas foram comparadas através do custo material total, constatando-se que as torres mais econômicas possuíam variação parabólica. Isso permitiu aferir um valor inicial para o qual o uso do CUADRF em torres eólicas passaria a ser competitivo. / The work is dedicated to the study of prestressed wind towers of concrete, in order to promote discussion on the design criteria, highly relevant topic today. For this purpose, it was considered a wind tower 100 m high provided with 5 MW turbine, whose actions were obtained from the literature. The wind loading along the tower was treated as static equivalent in accordance with design codes, through a simplified way for the adoption of a design speed equivalent to that incident on the rotor. Based on the literature, only the most critical conditions were adopted in the design. The combinations between loads and partial safety factors were outlined by the limit states method, which is widespread in design standards. The forces and displacements in the tower were obtained by the finite element method with discretization in frame elements, through material and geometric nonlinearities. This was done through coupling of a commercial finite element program with algorithm developed in MATLAB language, which defines both the various geometries of each element along the tower (variable section), and obtains for each: prestressing reinforcement from recalculated prestressing losses, the moment-curvature-normal diagram, and the stepped longitudinal passive reinforcement that is optimized during the design process. For the shear strength of the annular sections, a model that showed good agreement with the experimental results obtained in the literature was proposed. In addition to conventional concrete, the state-of-the art of ultra-high performance fiber reinforced concrete, UHPFRC, is discussed, dealing on its historical development, composition, different types, mechanical properties, applications, recommendations for design and simplifications adopted on its use in wind towers. At the end were performed parametric analyzes of the geometry and the concrete class for two types of towers: frustoconical and with parabolic variation. One of the main conclusions is that the optimization of passive steel area occurs systematically to the lower natural frequency towers, making it essential to use a nonlinear model for proper design. Moreover, the towers obtained were compared with the total material cost, having noticed that most economical towers had parabolic variation for the constraints here imposed. This allowed the assessment of an initial value for which the use of UHPFRC in wind turbine towers would be competitive.