Modelagem em CFD para o estudo da estabilidade estrutural de barragens e vertedouros sujeitos ao galgamento

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2019.Nessa dissertação, primeiramente são revisadas as normas técnicas para o cálculo estimado das forças hidrodinâmicas, incluindo a força vertical que lâmina de água transbordante exerce sobre a crista da estrutura. Em seguida, modelos de validação e verificação da técnica do CFD são simulados para garantir que o modelo computacional é adequado às analises que são feitas em seguida. Então, o CFD é utilizado para se obter uma melhora na técnica de estimativa dos campos de pressões hidrodinâmicas atuando sobre a crista retangular de barragens submersas. Os campos de pressão obtidos com CFD são usados como entrada para o cálculo de estabilidade feito com o método de gravidade para se obter uma melhor estimativa dos coeficientes de segurança e campos de tensão da estrutura. São apresentadas aplicações em uma barragem típica de 7,6 m de altura em que os coeficientes de segurança obtidos com CFD são comparados com aqueles obtidos com as estimativas de norma. Ao final, faz-se uma retroanálise de um vertedouro controlado por comporta que foi afetado pela enchente de Saguenay em 1996 em Québec, Canadá. As condições de fluxo complexas são analisadas sob diferentes condições: com comportas abertas, comportas fechadas, comportas parcialmente fechadas e com a presença de detritos flutuantes. As simulações em CFD são feitas com o programa ANSYS Fluent. A validação do programa e dos modelos computacionais é feita em várias etapas. Primeiramente, um modelo bidimensional de escoamento em torno de um quadrado é simulado pois esse é um caso bem estudado e que se pode encontrar muitos resultados na literatura. O escoamento em torno de um cilindro também poderia ser estudado, pois esse também é um caso bem estudado e que possui solução analítica. No entanto a geração da malha em torno de um círculo é significativamente mais complicada e seria uma fonte de erros numéricos. O estudo escoamento em torno do quadrado é dividido em três partes: (i) escoamento laminar permanente, (ii) escoamento laminar transiente, (iii) escoamento turbulento transiente. O escoamento laminar permanente é estudado com um número de Reynolds até 60. Nesse caso, verifica-se os primeiros passos básicos da modelagem, como a forma correta de modelar a geometria, gerar malha, entrar com as condições de contorno, propriedades do material e fazer o pós-processamento e estuda-se a influência do tamanho do domínio e refinamento de malha na resposta. Os coeficientes de arrasto encontrados para esse caso foram praticamente idênticos aos encontrados na literatura. No caso laminar transiente, com Reynolds entre 40 e 200, estuda-se a além do efeito do domínio e da geometria, o efeito do tamanho do passo de tempo na resposta. Novamente, os resultados obtidos ficaram em boa concordância com o que se encontrou na literatura. Por fim, no caso turbulento transiente, com Reynolds igual a 22000, introduz-se o modelo de turbulência adotado para toda a pesquisa, que foi o k- SST. Verificou-se novamente que os resultados condizem com os registrados na literatura e foi possível obter a formação do corredor de vórtices alternados como esperado. A segunda etapa de validação foi a modelagem do escoamento vertical em queda livre de um filete de água, como a água que sai de uma torneira. O objetivo desse estudo foi introduzir o modelo multifásico escolhido para esse projeto, que foi o modelo de Volume de Fluido, e estudar a influência do refinamento da malha no cálculo de localização da interface água-ar. Inicialmente, o problema foi modelado com uma malha grossa, uma média e uma bem refinada. Percebeu-se que com a malha grossa não foi possível obter o perfil de água esperado e que após a água viajar apenas uma pequena fração do domínio o erro no cálculo da posição da interface já era tão grande que, essencialmente, a porção inferior do domínio não possuía água de acordo com a simulação. Já com a malha mais refinada, o perfil é bem calculado e o filete de água se forma como esperado. Em seguida, testou-se uma técnica de adaptação de malha em que, baseado no resultado de uma simulação concluída, identifica-se as células da malha que contém a interface e faz-se o refinamento dessas. Então, uma nova rodada de simulação é feita com a malha adaptada e repete-se esse processo iterativamente. Ao fazer essas simulações, descobriu-se que a região da malha que contém a interface é crítica para a determinação da posição da interface e que as demais regiões do domínio podem ser menos refinadas. Portanto, a técnica de adaptação de malha permite obter resultados mais acurados com menor esforço computacional. A terceira etapa de validação foi a modelagem do fluxo de água passando sobre um vertedouro padrão do tipo WES. Esse tipo de vertedouro é adotado e descrito por diversas normas. Faz-se um estudo de convergência do domínio e de malha. Após obter a convergência do domínio e da malha, o perfil da lâmina vertente e o campo de pressões sobre o vertedouro é comparado com as normas. Nessa etapa, verificou-se o tamanho de malha adequado para os problemas estudados em seguida e a forma correta de modelar o escoamento livre bifásico. A última etapa de validação foi a modelagem do escoamento de água sobre um vertedouro de soleira espessa. Nessa etapa, verificou-se duas possibilidades de aeração da lâmina vertente: (i) a introdução de uma condição de contorno na parede a jusante do vertedouro e (ii) o alargamento do domínio a jusante. Os resultados numéricos foram comparados com os resultados de um modelo experimental encontrado na literatura. Conclui-se que a estratégia de alargamento do domínio a jusante é mais precisa e versátil apesar de exigir a modelagem tridimensional, enquanto a outra estratégia pode ser aplicada em um modelo bidimensional. Portanto, para todos os estudos seguintes utiliza-se a estratégia de alargamento do domínio. Com a validação concluída, realizou-se três estudos: (i) estudou-se a força vertical sobre uma crista retangular devido às forças hidrodinâmicas, (ii) estudou-se a estabilidade de uma barragem real de perfil típico, (iii) fez-se uma retroanálise de um vertedouro atingido por uma enchente. O estudo da força vertical sobre uma crista retangular foi feito em um modelo semelhante ao modelo estudado na última etapa de validação, porém com dimensões diferentes. A partir das simulações em CFD, obteve-se os campos de pressão sobre a crista da barragem. Esses campos de pressão foram simplificados como sendo um campo trapezoidal que gere força e momentos equivalentes na estrutura. As normas de barragem sugerem que esse campo trapezoidal pode ser estimado como tendo uma pressão equivalente de uma lâmina de água com profundidade igual a lâmina vertente (a distância) a montante e metade desse valor a jusante. Com as simulações em CFD foi possível mostrar que usando dois terços da pressão equivalente de uma lâmina de água com profundidade igual a lâmina vertente a montante e um terço a jusante obtém-se uma estimativa muito mais precisa. Em seguida, fez-se o estudo de estabilidade de uma barragem utilizando o campo de pressões obtidos com CFD, a estimativa da norma e a estimativa melhorada. Utilizando o método da gravidade, calculou-se os coeficientes de segurança e tensões na barragem a partir dessas cargas. Comparando-se as três metodologias para estimar os campos de pressão, mostrou-se que as estimativas de norma superestimam a carga vertical na crista. Essa carga atua como uma carga estabilizante e, portanto, superestimá-la é contra a segurança. Esse efeito se torna mais evidente em barragens de pequeno porte com uma grande lâmina de água passando sobre ela. Em contrapartida, a estimativa melhorada sugerida aqui estima a carga vertical com precisão e, consequentemente, leva a um fator de segurança menor e mais próximo à realidade. Por fim, fez-se a retroanálise do vertedouro de Chute Garneau, em Québec, Canadá, que transbordou durante a enchente de Saguenay de 1996. Fez-se uma análise similar ao que foi feito para a barragem sob diferentes condições de fluxo: com comportas abertas, comportas fechadas, comportas parcialmente fechadas e com a presença de detrito flutuante. Ao fazer o cálculo de estabilidade, percebeu-se que sob as condições normais de projeto, a estrutura provavelmente teria falhado. No entanto, sabe-se que a estrutura sobreviveu ao evento. Portanto, fez-se uma análise paramétrica variando a resistência à tração e a coesão na interface concreto-solo. Com a análise paramétrica verificou-se que com pequenos incrementos de resistência à tração e coesão os coeficientes de segurança subiam a ponto de atender as exigências de norma para segurança. Esses valores de resistência à tração e coesão adicionados estavam consideravelmente abaixo da média averiguada experimentalmente em outras estruturas da região. Isso indica que é provável que essa resistência à tração e coesão estavam presentes e foram responsáveis por garantir que a estrutura resistisse à enchente.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).A particularly challenging aspect in gravity dam stability assessment is the estimation of the induced hydrodynamic water pressure when water with significant velocity is overtopping gravity dams and flowing in or over spillway components. The water flow conditions, including the related pressure fields and resultant forces, are difficult to quantify accurately. Computational fluid dynamics (CFD) is an attractive alternative to physical models to quantify the hydrodynamic forces acting on overtopped gravity structures and spillways to assess their structural stability. Herein, existing dam safety guidelines to estimate the weight of the overflowing water nappe on gravity dams with rectangular crests are first reviewed. Then, validation and verification models are run to ensure that the computational models are suitable for the case studies that are analyzed later. After that, CFD is used to develop an improvement to the simplified estimation of hydrodynamic pressure fields acting on the rectangular crests of submerged gravity dams. The CFD pressures are used as input data to classical structural stability analyses based on the gravity method to more adequately quantify the dam sliding stability during overtopping. Applications are then presented on an existing 7.6 m high gravity dam comparing existing dam safety guidelines with proposed improvements based on CFD. A back analysis is also performed on the stability of an existing gated spillway with a bridge that was overtopped during the 1996 Saguenay flood in Québec. The complex flow conditions across the spillway are investigated, including the incidence of accumulated floating debris producing additional thrusts on the structure

Removal of Amalgam Overhangs: A Profilometric and Scanning Electron Microscopic Evaluation

Peer Reviewedhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/142188/1/jper0245.pd

Análise dinâmica de edifícios equipados com amortecedores de líquido sintonizado assistida pelo software DynaPy

Trabalho de conclusão de curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017.Esse trabalho tem por objetivo estudar a atenuação de vibrações em estruturas do tipo shear building equipadas com um Amortecedor de Coluna de Líquido Sintonizado e os efeitos da variação paramétrica nessa atenuação. O modelo de amortecedor utilizado possui formato de tubo em U e é montado sobre uma estrutura hipotética com o objetivo de contrabalancear o movimento desta. São estudados diferentes tipos de amortecedor, como um com as extremidades do tubo abertas e outro com uma câmara de ar comprimido em cada uma delas. O sistema estrutura-amortecedor é excitado por um sismo de projeto simplificado. Estuda-se, portanto, o efeito do amortecimento em diferentes frequências de excitação e para diferentes dimensões do amortecedor. A modelagem é feita considerando-se que as lajes do shear building são rígidas e concentram toda a massa da estrutura. Dessa forma, cada andar da estrutura possui apenas um grau de liberdade e o amortecedor em si representa mais um grau de liberdade. As equações de movimento são obtidas por meio da análise estrutural e da mecânica dos fluidos. Essas equações são resolvidas utilizando-se o Método das Diferenças Finitas implementado no software DynaPy, desenvolvido nessa pesquisa. Esse se trata de um método bastante simples, eficiente e de fácil implementação computacional para a resolução de equações diferenciais. Os resultados do software são validados pela solução analítica de problemas mais simples e pela comparação com os resultados do SAP 2000 para casos mais complexos. O pós-processamento é feito através da biblioteca Matplotlib do Python. Por fim, busca-se o dimensionamento ideal do amortecedor para a dada situação de projeto.This work aims to study the attenuation of vibrations in shear building structures equipped with a Tuned Liquid Column Damper and the effects of parametric variation on this attenuation. The damper model used in this study is U-shaped. It is mounted on top of a hypothetical structure to counterbalance the structure movement. Different models of damper are studied, like one with open ends and another with a compressed air chamber on each end. The structure-damper system is vibrated by a simplified design quake. The effects of damping are studied for different excitation frequencies and different damper dimensions. Modelling is made considering that the shear building slabs are rigid and contain the entire mass of the structures. This way, each story contains only one degree of freedom and the damper itself contains another one. The equations of motion are obtained by structural analysis and fluid dynamics. These equations are solved using the Finite Differences Method implemented in the software DynaPy, which was developed in the research process. This is a very simple, efficient and easy to implement on a script method that solves differential equations. Results from the software are validated by solving simpler problems analytically and by comparison with results from SAP 2000 for more complex cases. Post-processing is done through Python’s library Matplotlib. At last, the ideal design of the damper is obtained for both damper models

Interaction between pedestrians and autonomous vehicles: Protocol analysis and preliminary results

This research focuses on pedestrian crossing behavior when interacting with autonomous vehicles equipped with visual external Human Machine Interfaces (eHMIs). This study introduces an experimental procedure implemented in a CAVE-type pedestrian simulator in an approach that avoids the technical and ethical issues in doing such experiments in a real-world setting. Two preliminary experiments were conducted: the first included both autonomous and conventional vehicles on the road, and the second included only autonomous vehicles with visual eHMIs. Initial results show that the visual features incorporated in the autonomous vehicle helped participants decide to cross the road more quickly.- (undefined

Reduction of atherosclerotic lesions in rabbits treated with etoposide associated with cholesterol-rich nanoemulsions

Elaine R Tavares1, Fatima R Freitas1, Jayme Diament1, Raul C Maranhão1,21Heart Institute of the Medical School Hospital (InCor), University of São Paulo, São Paulo, Brazil; 2Faculty of Pharmaceutical Sciences, University of São Paulo, São Paulo, BrazilObjectives: Cholesterol-rich nanoemulsions (LDE) bind to low-density lipoprotein (LDL) receptors and after injection into the bloodstream concentrate in aortas of atherosclerotic rabbits. Association of paclitaxel with LDE markedly reduces the lesions. In previous studies, treatment of refractory cancer patients with etoposide associated with LDE had been shown devoid of toxicity. In this study, the ability of etoposide to reduce lesions and inflammatory factors in atherosclerotic rabbits was investigated.Methods: Eighteen New Zealand rabbits were fed a 1% cholesterol diet for 60 days. Starting from day 30, nine animals were treated with four weekly intravenous injections of etoposide oleate (6 mg/kg) associated with LDE, and nine control animals were treated with saline solution injections.Results: LDE-etoposide reduced the lesion areas of cholesterol-fed animals by 85% and intima width by 50% and impaired macrophage and smooth muscle cell invasion of the intima. Treatment also markedly reduced the protein expression of lipoprotein receptors (LDL receptor, LDL-related protein-1, cluster of differentiation 36, and scavenger receptor class B member 1), inflammatory cytokines (interleukin-1β and tumor necrosis factor-α), matrix metallopeptidase-9, and cell proliferation markers (topoisomerase IIα and tubulin).Conclusion: The ability of LDE-etoposide to strongly reduce the lesion area and the inflammatory process warrants the great therapeutic potential of this novel preparation to target the inflammatory-proliferative basic mechanisms of the disease.Keywords: atherosclerosis treatment, drug delivery, LDL-receptor

Patologias em emissários submarinos em aço revestido em concreto armado

Os emissários submarinos são um dos elementos que compõe o sistema de disposição oceânica de efluentes domésticos. Esse sistema é composto por uma estação de tratamento, com apenas o tratamento preliminar ou até o tratamento secundário dos efluentes, dependendo do caso de aplicação, a parte da tubulação terrestre, chamada de emissário terrestre e a parte submarina, chamada de emissário submarino. Essas tubulações submarinas normalmente são robustas, podendo aparecer tanto com pequenos diâmetros de 0,75m tanto com grandes diâmetros de aproximadamente 7,00 m, também podem ser executadas em diversos materiais com diversos métodos construtivos. O objetivo deste trabalho é apresentar o panorama geral sobre os emissários submarinos, desde a etapa legislativa até a etapa construtiva desse tipo de tubulação, por fim focando nos emissários submarinos que são executados em aço com revestimento em concreto armado. Muitos dos trabalhos que relacionam os emissários submarinos tem como objetivo a análise de impactos ambientais que podem ser causados por esse tipo de disposição de efluentes domésticos. Porém neste trabalho, além de ser comentado sobre os impactos ambientais, são comentados os aspectos patológicos estruturais dessas tubulações, voltando para a agressividade do meio marinho no revestimento de concreto e suas armaduras, nos elementos metálicos que compõe as tubulações, os impactos mecânicos gerados pelas forças hidrostáticas e os desgastes gerados pelo próprio efluente doméstico.The submarine outfalls are one of the elements that compose the ocean disposal system of domestic sewage. This system consists of a treatment plant with only primary treatment or even the secondary treatment of effluents, depending on the way it is applied, the part of the earth pipeline, so called terrestrial outfalls and the underwater part, called the submarine outfall. These subsea pipelines are usually robust and can appear either with small diameters of 0.75m or with large diameter of approximately 7.00 m, can also be performed in various materials with different construction methods. The aim of this paper is to present the overview of the submarine outfalls from the legislative stage to the constructive stage of this type of pipe, finally focusing on submarine outfalls that run on steel-coated concrete. Many of the work related to the submarine outfalls aims the analysis of environmental impacts that may be caused by this type of disposal of domestic waste. But in this work, besides being commented on the environmental impacts are discussed structural pathological aspects of these pipes, returning to the aggression of the marine environment in the concrete lining and their armor, the metal parts that make up the pipes, mechanical impacts of hydrostatic forces and the stresses generated by own wastewater

Review on Infrared Nanospectroscopy of Natural 2D Phyllosilicates

Phyllosilicates emerge as a promising class of large bandgap lamellar insulators. Their applications have been explored from fabrication of graphene-based devices to 2D heterostructures based on transition metal dicalcogenides with enhanced optical and polaritonics properties. In this review, we provide an overview on the use of IR s-SNOM for studying nano-optics and local chemistry of a variety of 2D natural phyllosilicates. Finally, we bring a brief update on applications that combine natural lamellar minerals into multifunctional nanophotonic devices driven by electrical control.Comment: 11 pages, 11 fig

ROTINAS COMPUTACIONAIS EM PYTHON PARA O ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE AMORTECEDORES DE LÍQUIDO SINTONIZADO NA ATENUAÇÃO DE VIBRAÇÕES EM ESTRUTURAS

Esse trabalho estuda o efeito da atenuação de vibrações em um sistema estrutural constituído por dois graus de liberdade, contendo um amortecedor de líquido sintonizado; e como os parâmetros do amortecedor influenciam nessa atenuação. Foi analisada uma estrutura de pórtico com duas colunas e uma viga horizontal rígida, onde a massa da estrutura está concentrada (“Shear Building”). Sobre esse pórtico encontra-se um amortecedor de líquido sintonizado em forma de tubo em U. Tal sistema é excitado por um sismo simplificado de forma senoidal. Estuda-se, então o efeito do amortecimento para diferentes frequências de vibração e diferentes parâmetros do amortecedor: comprimento, diâmetro e altura de coluna d’água