Este trabalho tem o objetivo de apresentar o desenvolvimento do projeto informacional e do projeto conceitual de um mini-cabeçote vertical de extrusão com rosca de seção variável intercambiável. A montagem e a validação funcional deste cabeçote é feita na impressora 3-D Fab@CTI de forma intercambiável, na qual o projeto da estrutura foi baseada no projeto Fab@home. O projeto envolve o estudo sistemático utilizando o QFD para identificação dos requisitos do usuário e a escolha do \"cabeçote de deposição\", como característica técnica mais importante conduz o desenvolvimento do projeto conceitual e parte do projeto preliminar do mini-cabeçote vertical de extrusão. Utilizando análise morfológica no projeto conceitual se obteve a configuração do projeto, no qual foi possível dimensionar os principais componentes do sistema proposto: rosca/cilindro e sistema de acionamento. Os materiais considerados para o dimensionamento mecânico, bem como das estimativas das geometrias das seções da rosca foram poliamida e PCL, este último material foi escolhido por ser um biomaterial e por apresentar características físico-químicas mais criticas para o dimensionamento do dispositivo. O projeto conceitual foi fabricado e montado para demonstrar sua funcionalidade de extrusão utilizando um material pastoso e pó sem processo de aquecimento. Este trabalho apresenta o projeto e a validação técnica de um mini-cabeçote intercambiável de extrusão por rosca para utilização em impressoras 3-D utilizadas em manufatura aditiva. A abordagem sistemática de projeto demonstra a importância de técnicas de metodologia de projeto durante o desenvolvimento de um produto, a fim de se obter qualidade no projeto de engenharia. / The purpose of this work is to present the study of the informational and conceptual design of the vertical mini-screw extrusion head applied to portable and open source additive manufacturing machine. The design was validated considering the proposal of interchangeable heads applied to Brazilian 3-D printer based on Fab@home mechanical design. It was developed a systematic study using QFD to identify user\'s requirements, supporting the choice of a \"deposition head\" as the most important technical characteristic, leading the design development of a mini vertical system based on a extrusion screw with variable section. The conceptual design using the morphological analysis defined the design configuration, allowing to make a pre-calculation of the main components of the proposed head: screw, barrel and actuation system. The deposition materials, considered for the theoretical calculations, were polyamide and PCL, being the last a biocompatible polymer. This choice lead to critical physicochemical properties related to system design. The conceptual design was manufactured and assembled, demonstrating its functionality to extrude a paste like and powder materials without heating. This work presented the design and the validation of an interchangeable mini-extruder screw head developed to a portable 3-D printer used in additive manufacturing process. The systematic approach demonstrated the importance of the design methodology tools during the product development to obtain quality in the design engineering.

As estruturas metálicas espaciais de cobertura apresentam aspectos diferenciados de projeto. Existem diversos arranjos geométricos possíveis para estas estruturas, cuja escolha está associada, entre outros fatores, às formas e dimensões do contorno, aos pontos de apoio e aos sistemas de conexões empregadas. Neste trabalho, foi analisado o projeto destas estruturas, abordando aspectos históricos, os sistemas de ligação, o comportamento estrutural, as particularidades de projeto, e realizando uma análise numérica de diferentes arranjos geométricos. Foram analisados 27 arranjos geométricos quadrados (66 m x 66 m) e 6 arranjos geométricos retangulares (186 m x 66 m), todos os vãos centrais de 60 m, e com variações na quantidade e posicionamento dos apoios, na disposição das barras do reticulado, na altura e nas dimensões dos módulos. Adotou-se o modelo de treliça ideal em análise elástica linear (teoria de primeira ordem). Com os resultados dos processamentos, realizou-se uma comparação entre os modelos, abrangendo os seguintes aspectos: quantidade de nós e barras, consumo de material, deslocamentos máximos, reações de apoio máximas e esforços internos máximos. O fator que causou maior influência no comportamento dos arranjos analisados foi a disposição dos apoios. / The roofing space steel structures have differentiated aspects of design. There are many types of arrangements to these structures, and the choice is associate, among other factors, with the shapes e dimensions of the boundary, with the points of support and with the connection systems employed. In this work was analysed the design of these structures, including the historical aspects, the connection systems, the structural behaviour, the particulars aspects of the design, and a numerical analysis of differents arrangements. Twenty seven square structures (66 m x 66 m) and six rectangular structures (186 m x 66 m) were analysed, all them with 60 m span, and variations in the amount and position of supports, in the member arrangement, in the depth and in the node spacing. These structures were analysed adopting the ideal truss model with elastic linear behaviour. With the results were made a comparison between the arrangements that reports these aspects: amount of nodes and members, material consumption, displacements, support reactions and internal forces. The factor that caused the biggest influence in the behaviour of the space structures analysed was the amount and position of supports.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-16T19:44:01Z No. of bitstreams: 1 WILLIAMS TELES BARBOSA - DISSERTAÇÃO PPG-CEMat 2014..pdf: 2309358 bytes, checksum: 60fe4478ffb44784348a9ae62c055d89 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-16T19:44:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 WILLIAMS TELES BARBOSA - DISSERTAÇÃO PPG-CEMat 2014..pdf: 2309358 bytes, checksum: 60fe4478ffb44784348a9ae62c055d89 (MD5) Previous issue date: 2015-02-25 / Capes / Biocerâmicas porosas são utilizadas para fornecer local onde o tecido ósseo possa crescer e fixar o implante biologicamente. A hidroxiapatita [HA, Ca10(PO4)6(OH)2] é um fosfato de cálcio que tem recebido atenção considerável nas últimas duas décadas como material de implante. Devido à sua ocorrência natural no tecido ósseo, os fosfatos de cálcio possuem boas propriedades de biocompatibilidade e osteocondução, tornando-a um dos biomateriais mais promissores na fabricação de scaffolds para a engenharia de tecido ósseo. O objetivo do presente trabalho centrou-se no desenvolvimento e otimização de estruturas tridimensionais porosas a base de HA combinando o método Sol-Gel e a réplica da esponja de poliuretano (PU), permitindo uma interconectividade e distribuição variada dos poros. Os scaffolds desenvolvidos foram caracterizados pelas técnicas de Espectroscopia na Região do Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X (EDS), Análise Termogravimétrica (TG), Porosidade, Ensaio de Compressão. Os resultados de FTIR apresentaram as bandas características da HA. A técnica de DRX revelou a presença da fase cristalina de HA (95%), como também em menor quantidade o α-Fosfato Tricálcico (2,5%). As análises por MEV revelaram scaffolds com poros interconectados com tamanhos de poros variando entre 50µm a 200μm e o EDS detectou a presença dos elementos químicos característicos da HA, como o Cálcio e o Fósforo. Os resultados de TG permitiram confirmar que as curvas de temperatura utilizadas no processo de sinterização, são eficientes para a queima da esponja, obtendo-se somente uma fase inorgânica de apatita. Os scaffolds apresentaram uma porosidade total de aproximadamente 75% e resistência à compressão variando de 3,13 a 4,86 MPa. Diante dos resultados obtidos foi possível produzir scaffolds de apatita através da metodologia Sol-Gel e combinação com a metodologia de replica de esponja porosa, com características que devem permitir a regeneração óssea. / Porous bioceramics are used to provide location where the bone tissue can grow and biologically fixing the implant. Hydroxyapatite [HA, Ca10(PO4)6(OH)2] is a calcium phosphate which has received considerable attention over the past two decades as an implant material. Due to its naturally occurring in bone tissue, the calcium phosphate has good biocompatibility and osteoconductive properties, making it one of the most promising biomaterials in the manufacture of scaffolds for bone tissue engineering. The objective of this work was the development and optimization of porous three-dimensional structures composed of HA, combining sol-gel method with the replica of a polyurethane foam, allowing interconnectivity and scattered distribution of pores. The developed scaffolds were characterized by Fourier Transform in the Infrared Region (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Thermogravimetric Analysis (TG), Porosity Tests and Compression Tests. The FTIR results showed the characteristic bands of the hydroxyapatite. The XRD technique revealed the presence of a crystalline phase belonging to hydroxyapatite (97,5%), and to a lesser extent the α-Tricalcium Phosphate (2,5%). Analysis by SEM revealed scaffolds with interconnected pores which had sizes ranging from 50μm to 200μm and EDS detected the presence of specific chemical elements of hydroxyapatite such as Calcium and Phosphorus. TG results allowed to confirm that the temperature curves used in the sintering process, is effective for burning of the sponge, yielding only an inorganic phase of apatite. The scaffolds showed a porosity of about 75% and compressive moduli ranging from 3.13 to 4.86 MPa. Based on these results, it was possible to produce scaffolds of HA by Sol-Gel method in combination with replica of a polyurethane foam, with attributes for bone regeneration.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-06-15T19:48:16Z No. of bitstreams: 1 MARIA JUCÉLIA LIMA DANTAS – DISSERTAÇÃO (PPG-CEMat) 2016.pdf: 3511044 bytes, checksum: c308b22312ce9f189d694fc843ba74af (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-15T19:48:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARIA JUCÉLIA LIMA DANTAS – DISSERTAÇÃO (PPG-CEMat) 2016.pdf: 3511044 bytes, checksum: c308b22312ce9f189d694fc843ba74af (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Capes / Estruturas tridimensionais são ferramentas bastante atrativas para a engenharia de tecidos, mimetizado fisicamente a matrix extracelular natural que atuam como suportes para o desenvolvimento celular. O objetivo do trabalho foi produzir estruturas tridimensionais biodegradáveis de quitosana-hidroxiapatitagelatina (CS/HA/G) com diferentes quantidades de HA e avaliar suas propriedades e comportamento in vitro. As estruturas tridimensionais foram produzidas em duas etapas. Numa primeira etapa foram obtidas esferas de CS contendo diferentes quantidades de HA de baixa cristalinidade (20, 50 e 70 % m/m). A HA de baixa cristalinidade foi gerada in situ no interior das esferas de CS. Para isso foi precipitado CaHPO4 em uma dissolução de CS e a suspensão resultante foi conformada na forma de esferas mediante gotejamento em dissolução de Na5P3O10 (TPP) com pH 8-9. As esferas precipitadas foram mantidas sob agitação nesta solução para conseguir a reticulação da CS e a transformação do CaHPO4 em HA, e finalmente liofilizadas. Para a obtenção das estruturas tridimensionais, as esferas de CS HA foram aglutinadas mediante impregnação com dissolução aquecida (40°C) de 5 % de G, arrefecimento até -18°C e liofilização. As esferas foram caracterizadas mediante microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X (DRX), análises termogravimétricas (TG) e espectroscopia de infravermelho (IV). E as estruturas tridimensionais por Porosidade, Grau de Intumescimento (GI), propriedade mecânica de resistência à comrpressão via seco e úmido. O diâmetro médio das esferas segundo os resultados de MO foi de 2,6 ± 0,22mm e 2,8± 0,28mm para CS-HA 20% e CS-HA50%,respectivamente. Já as partículas de CS-HA70% apresentaram diâmetro médio de 3,9± 0,37mm tendo sua morfologia e porosidade superficial variou com o conteúdo de HA. A presença de HA de baixa cristalinidade no interior das esferas foi confirmada pelos resultados DRX e IV. Nas imagens de MEV foi possível observar que os cristais de HA estão homogeneamente dispersos no interior das esferas. Os resultados de TG revelaram boa concordância entre as quantidades de HA projetadas e as realmente obtidas nas esferas. Os resultados das estruturas tridimensionais indicam influência pelas diferentes concentrações de hidroxiapatita. Com o aumento na fração cerâmica observa-se a densificação da superfície, uma pequena diminuição da porosidade e no grau de intumescimento, como também um aumento no modulo de elasticidade via seca e uma pequena diminuição nas propriedades mecânicas via úmido, causado pelo intumescimento da estrutura. O compósito que apresentou resultados mais satisfatórios foi CS-HA20%, exibindo um melhor perfil à porosidade, grau de intumescimento e prorpriedades mecânicas. O estudo sugere que as estruturas tridimensionais necessitam de reajustes para serem aplicadas em regeneração óssea, entretanto podem ser indicadas para aplicações em engenharia de tecidos, em situações preferencialmente ex-vivo, como suportes temporários de células. / Three-dimensional structures are very attractive tools for tissue engineering, physically mimicked the natural extracellular matrix, these structures act as supports for cell development. The goal was to produce biodegradable threedimensional structures of chitosan-hydroxyapatite-gelatin (CS / HA / L) with different HA contents and evaluate their properties and behavior in vitro. The three-dimensional structures were produced in two steps. In a first step CS were obtained spheres containing different amounts of HA low crystallinity (20, 50 and 70% w / w). The poorly crystalline HA was generated in situ within the CS spheres. To this precipitate was dissolved in CS CaHPO4 and the resulting suspension was shaped in the form of spheres by dripping in dissolution Na5P3O10 (TPP) at pH 8-9. The precipitated spheres were kept in this solution under stirring to obtain the halftone processing and the CS HA CaHPO4 , and finally lyophilized. To obtain the three-dimensional structures, CS-HA spheres were bonded by impregnation with warm solution (40 ° C) 5% C, cooling to -18 °C and lyophilization. The spheres were characterized by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TG) and infrared spectroscopy (IR). And the three dimensional structures by porosity, Degree of Swelling (GI), mechanical property of resistance comrpressão via dry and wet. The average diameter of the spheres according to the results of MO was 2.6 ± 0.22 mm and 2.8 ± 0,28mm CS-20% CSHA50% respectively. Already the particles of CS-HA70% had a mean diameter of 3.9 ± 0,37mm having their morphology and surface porosity varied with the HA content. The presence of low crystallinity with in the HA spheres was confirmed by the XRD results and IV. In the SEM images was observed that HA crystals are homogeneously dispersed within the sphere. The TG data showed good agreement between the HA and the amounts actually projected on the spheres obtained. The results indicate influences of threedimensional structures for various concentrations of hydroxyapatite. With the increase in the ceramic fraction is observed densification of the surface, a slight reduction of the porosity and the degree of swelling, as well as an increase in the modulus of elasticity via a small decrease in the mechanical properties wet route, caused by swelling of the structure. The composite that presented better results was CS-HA20%, showing a better profile to the porosity, degree of swelling and mechanical prorpriedades. The study suggests that threedimensional structures require adjustments to be applied in bone regeneration, but can be suitable for applications in tissue engineering, in situations preferably ex vivo, as temporary supports cells.

[pt] Nessa tese, consideramos coberturas de regiões tridimensionais por dominós, especialmente as da forma D x [0,N]. Em particular, nós investigamos as componentes conexas do espaço de coberturas desse tipo de região por flips, o movimento local que consiste em remover dois dominós paralelos adjacentes e colocá-los de volta na única outra posição possível. Para regiões da forma D x [0,2], nós definimos um invariante polinomial Pt(q) que caracteriza coberturas que estão quase na mesma componente conexa, num sentido discutido na tese. Também provamos que o espaço de coberturas desse tipo de região é conexo por flips e trits, um movimento local que consiste em remover três dominós adjacentes e ortogonais entre si e colocá-los de volta na única outra posição possível. No caso geral, o invariante é um inteiro, o twist, para o qual damos uma fórmula combinatória simples, bem como uma interpretação via teoria dos nós; também provamos que o twist tem propriedades aditivas para decomposições adequadas de uma região. Por fim, investigamos também o conjunto de valores que são twists de coberturas de uma caixa L x M x N. / [en] In this thesis, we consider domino tilings of three-dimensional regions, especially those of the form D x [0,N]. In particular, we investigate the connected components of the space of tilings of such regions by ips, the local move performed by removing two adjacent dominoes and placing them back in the only other possible position. For regions of the form D x [0,2], we define a polynomial invariant Pt(q) that characterizes tilings that are \ almost in the same connected component , in a sense discussed in the thesis. We also prove that the space of domino tilings of such a region is connected by ips and trits, a local move performed by removing three adjacent dominoes, no two of them parallel, and placing them back in the only other possible position. For the general case, the invariant is an integer, the twist, to which we give a simple combinatorial formula and an interpretation via knot theory; we also prove that the twist has additive properties for suitable decompositions of a region. Finally, we investigate the range of possible values for the twist of tilings of an L x M x N box.

A utilização de treliças para o escoramento de elementos estruturais de concreto armado e aço é considerada uma solução eficaz para o atual sistema de construção de engenharia civil. Uma mudança de atitude no processo de construção, associado com a redução dos custos causou um aumento considerável na utilização de treliças tridimensionais em aço com maior capacidade de carga. Infelizmente, o desenho destes sistemas estruturais baseia-se em cálculos muito simplificados relacionadas com vigas de uma dimensão, com propriedades de inércia constantes. Tal modelagem, muito simplificada, não pode representar adequadamente a resposta real dos modelos estruturais e pode levar a inviabilidade econômica ou mesmo inseguro desenho estrutural. Por outro lado, estas estruturas treliçadas estão relacionadas com modelos de geometria complexa e são desenhados para suportar níveis de cargas muito elevadas. Portanto, este trabalho de investigação propôs modelos de elementos finitos que representam o caráter tridimensional real do sistema de escoramento, avaliando o comportamento estático e dinâmico estrutural com mais confiabilidade e segurança. O modelo computacional proposto, desenvolvido para o sistema estrutural não linear de análise estática e dinâmica, aprovou as habituais técnicas de refinamento de malha presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no programa ANSYS [1]. O presente estudo analisou os resultados de análises linear-elástica e não linear geométrica para ações de serviço, físicos e geométricos para as ações finais. Os resultados do presente estudo foram obtidas, com base na análise linear-elástica e não linearidade geométrica e física, e comparados com os fornecidos pela metodologia simplificada tradicional de cálculo e com os limites recomendadas por normas de concepção. / The use of lattice structures for shoring of steel, composite and reinforced concrete structures is considered an effective solution in the construction of civil engineering systems. An attitudinal change in the construction process associated with costs reduction has caused a considerable increase in the use of three-dimensional lattice steel truss systems with greater load capacity. Unfortunately, the design of these structural systems is based on very simplified calculations related to one-dimensional beams with constant inertia properties. Such a very simplified modeling cannot adequately represent the actual response of the structural models and can lead to uneconomic or even unsafe structural design. On the other hand, these lattice steel structures are related to three-dimensional models of complex geometry and are designed to support very high loading levels. Therefore, this work research has proposed finite element models that represent the actual three-dimensional character of shoring system, evaluating the static and dynamic structural behavior with more reliability and security. The proposed computational model, developed for the structural system non-linear static and dynamic analysis, adopted the usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations, based on the Annoys program. The present study has considered the results of a linear-elastic and non-linear geometric analysis for serviceability actions, physical and geometrical nonlinear analysis for ultimate actions. The results of the present investigation were obtained, based on linear-elastic and non-linear geometric and physical analysis, and compared with those supplied by the traditional simplified methodology of calculation and with the limits recommended by design standards.

[pt] Visando avaliar uma ferramenta numérica efetiva para resolução de problemas de estabilidade tridimensionais, a análise limite numérica foi estudada neste trabalho. Sua abordagem numérica requer o uso tanto do método dos elementos finitos quanto de programação matemática. Isto porque os teoremas da plasticidade, base da análise limite, podem ser colocados como problemas de otimização. No teorema do limite inferior, por exemplo, se deseja maximizar o fator de colapso, com o solo sujeito a condições de equilíbrio e ao critério de ruptura. O critério de ruptura utilizado foi o de Drucker-Prager. Neste trabalho, fez-se uso da programação cônica quadrática, conhecida por possibilitar a resolução de problemas de grande escala com muita eficiência. Empregou-se, para tanto, o solver Mosek. Além de ser possível determinar o fator de colapso, também se desenvolveu um método para calcular o fator de segurança da encosta. Ele reduz sucessivamente os parâmetros de resistência do solo, através do método de Newton-Raphson. Em casos de geometrias mais complexas, a formulação do problema teve que ser modificada. Uma força horizontal fictícia foi adicionada na condição de equilíbrio e unicamente ela foi majorada com o fator de colapso. Foi apenas através desta formulação que se pode simular a estabilidade de solos submetidos ao efeito de poropressão. A análise de fluxo foi simulada a parte no programa de elementos finitos desenvolvido por Miqueletto (2007). A resistência do solo depende dos valores de poropressão, que caracterizam os solos como saturados ou não saturados. / [en] Numerical limit analysis was studied in order to evaluate an effective numerical procedure to solve three-dimensional slope stability problems. This numerical approach utilizes finite element method and mathematical programming. Mathematical programming is needed because the plasticity theorems, basic theorems for limit analysis, can be cast as optimization problems. The lower bound theorem consists of finding the maximum collapse multiplier that will lead the soil to the imminence of collapse. The soil will still be restricted to equilibrium conditions and the yield criterion will have to be satisfied everywhere. Drucker- Prager was the yield criterion chosen. In this thesis, the optimization problem is reformulated as a second order cone programming (SOCP). SOCP is known to solve large-scale problems with great computational efficiency and we used the solver Mosek. The model calculates not only the collapse multiplier, but also the safety factor for the slope. A strength reduction scheme was proposed, based on the Newton-Raphson method. For complex geometries cases, a novel formulation was developed. A fictitious horizontal force was added at the equilibrium equation and uniquely this force was increased by the multiplier factor. It was only through this reformulation that it was possible to assess stability of slopes subjected to porepressure effects. The groundwater flow was simulated separately in a finite element program developed by Miqueletto (2007). The soil strength depends on porepressure values, which define soils as saturated or unsaturated.

Escoamentos multifásicos em meios porosos são modelados por um sistema de equações diferenciais parciais e o estudo da aproximação das soluções dessas equações desempenha papel crucial na simulação e previsão de problemas de grande interesse prático e impacto econômico e social, tais como a recuperação secundária de petróleo, o armazenamento geológico de CO2 e o transporte de poluentes em aquíferos. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um simulador numérico tridimensional para avaliar com precisão o transporte de dois fluidos imiscíveis em um meio poroso heterogêneo e que utiliza computação paralela multithread para computadores multiprocessados de memória compartilhada. O sistema de equações diferenciais parciais é decomposto em um subsistema elíptico para a determinação do campo de velocidades dos fluidos e uma equação hiperbólica não-linear para o transporte das fases fluidas. Para esta última, foi utilizado um método numérico de volumes finitos, não-oscilatório de alta ordem baseado em esquemas centrais e que admite uma formulação semi-discreta com coeficientes variáveis no espaço. Experimentos numéricos em modelos tridimensionais foram realizados considerando problemas de escoamentos lineares e não lineares postos em configurações típicas de simulação de reservatórios de petróleo. Os resultados mostraram-se satisfatórios por apresentarem conservação da massa, boa captura das ondas de choque e pequena difusão numérica, independente do passo de tempo. / Multiphase flows in porous media are modeled by a system of partial differential equations and the study of the numerical approximation to the solutions of these plays a crucial role in the simulation and prediction of problems that are of great practical interest and of economic and social impact, such as secondary oil recovery, geological storage of CO2 and transport of pollutants in aquifers. The goal of this work is the development of a three-dimensional numerical simulator that precisely evaluates the transport of two immiscible fluids in a heterogeneous porous media using multithread parallel programming to shared memory multiprocessors computers. The system of partial differential equations is decomposed into a elliptic subsystem used to determine the velocity field and into a hyperbolic equation (nonlinear) to determine the transport of the fluid phases. The approximation to the solution of the latter one is calculated using a high order non-oscillatory finite-differences numerical method based on central schemes that allows a semi-discrete formulation which an extension that enables to work with variable space coefficients. Numerical experiments on three-dimensional models were performed considering linear and nonlinear flow problems in typical settings of oil reservoirs simulations. The results were satisfactory since they presented mass conservation, precise capture of shock waves and small numeric diffusion, regardless of the time step.

Constructed wetlands (CWs) are artificial systems used for wastewater treatment, whose objective is to reproduce, under controlled conditions, the treatment mechanisms that occur in natural environments, through the exploration and improve the processes that involve the vegetation, porous media and microbial assemblages. Horizontal subsurface flow constructed wetlands (HSSF-CWs) is characterized by flow in a horizontal direction, in a gravel or sand beds planted or unplanted with emergent macrophytes whose the inlet and outlet are horizontally opposed, which allows the wastewater flow through the rhizosphere and have contact with the biofilm formed in subsurface. Traditional studies about CWs focuses on the efficiency of contaminants removal look at systems as a "black-boxes" from empirical approaches and do not distinguish between the different active removals processes. The development of numerical models, in order to helping to identify and improve the role of each element acting in the treatment, whether the properties of the porous media, constructive geometry, flow characteristics, among others, appears as an alternative to reach a more detailed understanding of the internal processes involved in CWs. In general, numerical models consist of governing equations (derived from the mathematical combination of the water balance and Darcy's law), initial conditions (they refer to the distribution of the hydraulic head in the model domain) and boundaries conditions (define the hydraulic or physical boundaries that delimit the model domain). In the last decade, different 1D and 2D numerical models have been developed and applied for the simulation of subsurface flow CWs under conditions of saturated horizontal flow (CWM1-RETRASO and PHWAT), variably saturated vertical flow (FITOVERT and HYDRUS-CW2D) and vertical or horizontally saturated flow (HYDRUS-CWM1). However, few studies regarding the application of 3D numerical models for CWs simulation are reported in the scientific literature. In this study, the hydrodynamic simulation of the porous media in a horizontal subsurface flow constructed wetland was run through the application of a 3D numerical model. The flow patterns were simulated according to the project design and scenarios with changes in the porous media hydrodynamic (hydraulic conductivity) and in the positioning of the wastewater distribution mechanisms (distribution along the cross section with two pipes) in order to verify the influence of these factors in the flow pattern and also to indicate advantages and disadvantages that contribute to the design. The softwares MODFLOW and MODPATH, in the GMS family code, were used for to simulate the direction and flow velocity, hydraulic head and pathlines. The model proved to be a powerful tool to simulation, allowing observing the interdependence between the hydrodynamic parameters and the hydraulic characteristics in the porous media. The simulated scenarios showed the possibility of improving the flow patterns, mainly using two pipes to distribute the wastewater in a more homogeneous way along the cross section of the bed. The use of a porous media with lower hydraulic conductivity also showed improvement in flow characteristics evaluated. However, the general context of wastewater treatment facilities (pretreatment units and tributary loads) should be considered, since materials with low hydraulic conductivity are more susceptible to clogging. Proper design is crucial to improving the treatment conditions in the HSSF-CWs and also to avoid the occurrence of hydraulic problems and damage to the treatment, such as the clogging. / Wetlands construídos (WCs) são tecnologias empregadas para o tratamento de águas residuárias, cujo objetivo é reproduzir, sob condições controladas, os mecanismos de depuração que ocorrem em meios naturais, através da exploração e aperfeiçoamento dos processos que envolvem a vegetação, o substrato e os microrganismos. Wetlands construídos de escoamento subsuperficial de fluxo horizontal (WCFH) são caracterizados pelo fluxo em direção horizontal através de um leito de cascalho ou areia, vegetado ou não com macrófitas emergentes, cujas entrada e saída dos efluentes são horizontalmente opostas, o que permite que as águas residuárias fluam através da rizosfera e tenham contato com o biofilme formado em subsuperfície. Tradicionalmente, os estudos sobre WCs incidem apenas sobre a remoção das concentrações de contaminantes, considerando esses sistemas como “black-boxes” a partir de abordagens empíricas, sem fazer distinção entre os diferentes processos atuantes. O desenvolvimento de modelos numéricos, como forma de auxiliar a identificar e aperfeiçoar o papel de cada elemento atuante no tratamento, quer sejam as propriedades do meio poroso, a geometria construtiva, as características de fluxo, entre outros, surge como alternativa para o alcance de uma compreensão mais detalhada dos processos internos intervenientes nos WCs. De uma forma geral, os modelos numéricos são constituídos por equações governantes (derivada da combinação matemática da equação de balanço de água e da lei de Darcy), por condições iniciais (dizem respeito à distribuição da carga hidráulica no domínio do modelo) e por condições de contorno (definem as fronteiras hidráulicas ou físicas que delimitam o domínio do modelo). Na última década, diferentes modelos 1D e 2D foram desenvolvidos e aplicados para a simulação de WCs de escoamento subsuperficial em condições de fluxo horizontal saturado (CWM1-RETRASO e PHWAT), vertical variavelmente saturado (FITOVERT e HYDRUS-CW2D) e vertical ou horizontal variavelmente saturado (HYDRUS-CWM1). Porém, poucas experiências relativas à aplicação de modelos 3D para simulação de WCs são relatadas pela literatura científica. Neste trabalho, a simulação da hidrodinâmica do meio poroso de um sistema de tratamento de efluentes do tipo wetlands construídos de escoamento subsuperficial de fluxo horizontal foi realizada por meio da aplicação de um modelo numérico 3D. Foram simuladas as condições de fluxo conforme as especificações de um projeto de engenheria, e também cenários com mudanças nas características hidrodinâmicas do meio poroso (condutividade hidráulica) e no posicionamento dos mecanismos de distribuição das águas residuárias (distribuição ao longo da seção transversal por meio de duas tubulações) visando verificar a influência desses fatores no sistema de fluxo e também indicar vantagens e desvantagens que contribuam para a elaboração de projetos. Os softwares MODFLOW e MODPATH, executados por meio da interface GMS, foram utilizados para a simulação da direção e velocidade de fluxo, nível hidráulico e linhas de trajetória das partículas transportadas por advecção. O modelo provou ser uma ferramenta poderosa para a simulação, permitindo visualizar a interdependência entre os parâmetros hidrodinâmicos e as características hidráulicas do meio poroso. Os cenários simulados mostraram a possibilidade de melhoria dos padrões de fluxo, principalmente por meio do uso de duas tubulações para distribuição dos efluentes de forma mais homogênea ao longo da seção transversal do leito. O uso de materiais com menor condutividade hidráulica também apresentou melhoria nas características de fluxo avaliadas. Porém, deve-se considerar o contexto geral das instalações de tratamento das águas residuárias (unidades de tratamento preliminar e cargas afluentes), visto que materiais com baixa condutividade hidráulica são mais susceptíveis ao entupimento. A concepção adequada é crucial para melhorar as condições de tratamento verificadas nos WCFH e também para evitar a ocorrência de danos e problemas hidráulicos, como a estagnação de fluxo em zonas de baixa velocidade de escoamento.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-05-27Bitstream added on 2014-06-13T19:14:29Z : No. of bitstreams: 1 watanabe_l_me_ilha.pdf: 2840433 bytes, checksum: dfba204f1b82da88aa2da2eca31e1d20 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / Nos últimos anos, tem havido um grande interesse das indústrias no desenvolvimento de novas técnicas de detecção e localização de falhas, pois se preocupam cada vez mais com a segurança, havendo assim, a necessidade de supervisão e monitoramento dos sistemas para que as falhas sejam evitadas ou sanadas o mais rápido possível. Determinados parâmetros em sistemas reais como massa, rigidez e amortecimento, podem variar devido ao aparecimento de falhas ou ao próprio desgaste natural dos componentes. Um aparecimento de trincas pode provocar perdas econômicas ou até conduzir a situações perigosas com paradas abruptas das máquinas e/ou equipamentos. Através do auxílio de modelos teóricos bem definidos, métodos de identificação de parâmetros, observadores de estado e auxílio à decisão foi possível desenvolver uma metodologia para detecção e localização de trincas em estruturas reticuladas, dando ênfase às tridimensionais. Foi possível detectar e localizar a trinca já no seu início e acompanhar sua propagação para uma possível parada programada. Foi utilizada a metodologia dos observadores de estado, que pode reconstruir os estados não medidos ou os valores provenientes de pontos de difícil acesso no sistema. Foi construída uma estrutura reticulada no Laboratório para validação da metodologia desenvolvida e os resultados foram bastante satisfatórios / In recent years there has been a great interest of industry in developing new techniques for detection and location of faults, because they worry more about security, so there is the need for supervision and monitoring systems so that failures are avoided or remedied as soon as possible. Certain parameters in real systems such as mass, stiffness and damping can vary due to some failures to own or wear and tear of components. An appearance of cracks can cause economic loss or even lead to dangerous situations with abrupt stopping of machines and/or equipment. Through the aid of well-defined theoretical models, methods of parameter identification, state observers and aid the decision was possible to develop a methodology for detecting and locating cracks in frame structures, emphasizing the three-dimensional. It was possible to detect and locate the crack already in its early stages and monitor its spread to a possible shutdown. Methodology was applied for observer status, which can reconstruct the unmeasured states or values from points of difficult access in the system. A reticulated structure was built at the Laboratory for validation of the methodology and the results were very satisfactory