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Alternativa arquitetônica projetual de estrutura de cobertura em aço inoxidável para edificações cobertas por telhas de aço inoxidável.
(2020) Oliveira, Géferson Diogo de; Souza, Henor Artur de; Ribas, Rovadávia Aline de Jesus; Souza, Henor Artur de; Ribas, Rovadávia Aline de Jesus; Fernandes, Walliston dos Santos; Gomes, Adriano Pinto; Ferreira, Franciele Maria Costa; Menezes, Lucas Veloso de
A construção estruturada em aço apresenta grande espaço para o desenvolvimento da construção civil, prometendo racionalização, menor tempo de execução, geração de resíduos e impacto ambiental, podendo então proporcionar um desempenho global adequado da obra. As características e o desempenho do sistema de cobertura empregado são também fatores importantes na eficiência do ambiente construído, sendo as coberturas estruturas que se definem pelo formato, observando as características de função e forma das edificações, atendendo a funções utilitárias, estéticas e econômicas e tendo como função principal a proteção das edificações contra a ação das intempéries e radiação solar. No mercado nacional existe uma significativa quantidade de sistemas de coberturas industrializadas e o aço inoxidável é uma das opções, apresentando características positivas únicas quando utilizado também na estrutura de sustentação da cobertura. Assim sendo, neste trabalho propõe-se uma alternativa arquitetônica projetual de uma estrutura de cobertura em aço inoxidável que utilize telhas também em aço inoxidável, com ênfase em coberturas para ginásios poliesportivos. No desenvolvimento do trabalho toma-se como referência dois ginásios poliesportivos existentes, mas com estrutura da cobertura em aço ASTM-A36. O sistema de cobertura proposto utiliza cabos e perfis leves em aço inoxidável comercial, o que diminui o peso e naturalmente o preço final da estrutura da cobertura. Obtém-se uma estrutura que apresenta viabilidade técnica, analisada por meio da verificação do seu comportamento em relação aos esforços e deslocamentos gerados pelas combinações dos esforços atuantes seguindo as recomendações de segurança da norma. Verifica- se que, aplicando-se a estrutura em aço inoxidável proposta neste trabalho, ela custaria 42% da estrutura original em aço inoxidável. E esse custo tende a ser minimizado devido à maior durabilidade e consequente redução de gastos com manutenção desse tipo de aço.
Análise da influência do parâmetro delta no custo de pilares mistos revestidos.
(2022) Oliveira, Paulo Edgar Fernandes Rodrigues de; Fernandes, Walliston dos Santos; Machado, Roberta Maria; Fernandes, Walliston dos Santos; Rocha, Paulo Anderson Santana; Ribas, Rovadávia Aline de Jesus; Souza, Flávio Teixeira de; Monteiro, Anelize Borges
São recorrentes no meio acadêmico pesquisas sobre técnicas e processos construtivos mais eficientes, objetivando a busca por estruturas de menor custo e com processo executivo mais industrializado. Neste aspecto da evolução da construção civil, as estruturas mistas são interessantes elementos a serem estudados, sendo os pilares mistos constituídos por aço e concreto armado que trabalham de forma conjunta a suportar principalmente os esforços verticais de compressão. Nesse contexto, o presente estudo analisa, dentre as diversas premissas que condicionam o cálculo de pilares mistos revestidos, o fator de contribuição do aço, ou também chamado de parâmetro delta, que é obtido pela razão entre a força axial resistente de cálculo do perfil de aço e a força axial resistente da seção transversal mista. A análise direciona-se na relação do parâmetro delta e o custo total da seção transversal de pilares revestidos sujeitos a carga axial de compressão, onde foram arbitrados parâmetros fixos e variáveis para as seções mistas. Definiram-se cinco seções transversais para pilares totalmente revestidos. Para os pilares parcialmente revestidos, o próprio perfil é o limitante geométrico da seção transversal mista. Sendo assim, foram analisados 367 perfis soldados e laminados, descritos no Apêndice A, conforme as premissas presentes no roteiro de cálculo definido pela NBR 8800 (ABNT, 2008). Optou-se por desenvolver um código em linguagem Python® para auxílio e otimização do tempo na análise das inúmeras condicionantes de cálculo, além de proporcionar que tal verificação abrangesse o grande número de perfis propostos. Os resultados obtidos demonstraram para os pilares totalmente revestidos uma evidente influência do parâmetro delta no custo final do elemento misto, principalmente quando submetidos a cargas de menor intensidade, expondo uma variação de custo de até 136,57%, a depender do perfil de aço escolhido e sua respectiva área da seção transversal, sendo tal insumo governante no custo-benefício do pilar. Para pilares parcialmente revestidos o mesmo não pode ser afirmado, haja vista que o valor obtido para o parâmetro delta não corresponde necessariamente ao aumento ou não do custo da seção mista.
Análise de estruturas de concreto armado via modelos de bielas e tirantes e técnicas de otimização topológica.
(2019) Ladeira, Artur Hallack; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Amilton Rodrigues da; Fernandes, Walliston dos Santos; Lemes, Igor José Mendes
O Modelo de Bielas e Tirantes (MBT) pode ser uma excelente alternativa para o dimensionamento de elementos estruturais em concreto armado submetidos a estado plano de tensão e para regiões que apresentem descontinuidade de ordem geométrica ou estática. Nesse sentido, o modelo permite uma melhor representação do comportamento estrutural e mecanismos de resistência nas estruturas de concreto. Para tornar a concepção do modelo menos dependente da experiência do projetista, o presente trabalho tem como objetivo a aplicação do modelo de bielas e tirantes em elementos estruturais e seu dimensionamento considerando a não-linearidade dos materiais, aliando a técnica de otimização topológica ESO (Evolutionary Structural Optimization) ao Método dos Elementos Finitos. O critério de evolução do método de otimização topológica adotado considera a eliminação de elementos/armadura menos solicitados e ocorre em duas etapas. Em um primeiro momento essa remoção é feita em nível de tensão, considerando uma análise linear, a qual gera o MBT e a configuração inicial para disposição das armaduras. Em seguida, é feita uma análise não linear onde são excluídas as armaduras dos elementos com menores níveis de deformação, obtendo-se a configuração final e a consequente distribuição de armadura procurada. Nesse contexto, é possível obter soluções otimizadas de problemas complexos envolvendo o concreto estrutural. São apresentados exemplos de cada etapa deste trabalho para comprovação e validação das técnicas implementadas. Os MBT’s obtidos apresentam boa concordância com os modelos normativos e com aqueles encontrados na literatura. Além disso, com a consideração da não linearidade dos materiais foi possível reduzir sobremaneira o consumo de aço em relação à análise linear.
Avaliação da integridade de uma estrutura industrial em aço afetada pela corrosão atmosférica aplicando simulação computacional.
(2023) Pinto, Magno Rafael Xavier; Inoue, Hisashi; Ribas, Rovadávia Aline de Jesus; Inoue, Hisashi; Ribas, Rovadávia Aline de Jesus; Fernandes, Walliston dos Santos; Oliveira, Danielle Meireles de
Com alta resistência mecânica, o aço possui inúmeras vantagens na sua utilização nos processos de construção. Muito empregado na indústria, as estruturas em aço possuem melhores condições para vencer grandes vãos com a utilização de perfis de menores dimensão e peso, além da facilidade no transporte, manuseio e montagem. Com o tempo de uso, manifestações patológicas, como corrosão localizada e generalizada, flambagem local e global, além de deformações excessivas causadas por sobrecargas ou relacionadas a ciclos térmicos podem surgir devido a falhas de projetos, execução e caso não sejam submetidas a uma manutenção preventiva adequada. Uma das patologias predominantes nas estruturas em aço e podendo ser caracterizada pela redução de espessura, a corrosão atmosférica pode ter o seu mecanismo de formação acelerado em ambientes industriais, à presença de alguns gases como os óxidos de nitrogênio e enxofre gerados como subprodutos e na queima de combustíveis, que, em contato com a água, geram ácidos altamente corrosivos como ácido sulfúrico e nítrico. A corrosão pode afetar seriamente o desempenho das estruturas, sendo importante compreender e avaliar a redução da capacidade do elemento estrutural. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo avaliar a capacidade de uma estrutura de aço considerando a corrosão atmosférica e a possível redução na capacidade resistente. A avaliação é embasada nos métodos analíticos de cálculo e projeto de estruturas em aço descritos na norma ABNT NBR 8800:2008 e realizada com auxílio do software Autodesk Robot 2023. Através dos levantamentos realizados em campo, foi possível identificar algumas patologias que precisam ser reparadas de forma imediata e em alguns casos, identificar também a redução na capacidade estrutural do perfil quando se considerado uma determinada perda de espessura acometidos por essa patologia.
Estudo de otimização topológica em estruturas 2D considerando a não linearidade geométrica.
(Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto., 2013) Fernandes, Walliston dos Santos; Almeida, Valério da Silva
Atualmente, faz-se necessário o uso de alternativas que melhorem o custo-benefício de estruturas. Vale a pena investir em conhecimento para o uso de técnicas que façam aproveitar ao máximo tudo o que o material tem a nos oferecer, de acordo com a utilidade estrutural da peça e da sua solicitação. A partir dessa necessidade, foi criado o conceito de Otimização Topológica, sendo este um campo de pesquisa da engenharia que tem o objetivo de projetar a topologia ótima de estruturas segundo determinado conjunto de critérios de custo, maximizando ou minimizando certa especificação de projeto. Assim, este trabalho propõe o estudo da otimização topológica de chapas usando dois tipos de elementos finitos triangulares, com o objetivo de investigar a influência da não linearidade geométrica na topologia ótima. Para a otimização é aplicado o método clássico evolucionário, com a introdução de uma suavização, denominado SESO. Ambos elementos finitos triangulares, sendo esses o FFT e o QST, foram estudadas separadamente cada formulação, sendo a primeira aplicada para avaliar a otimização topológica linear e a segunda a não linear. A obtenção do elemento finito QST emprega a formulação posicional e será aplicado junto com o otimizador para avaliação da influência da não linearidade geométrica na topologia ótima, quando comparada com a otimização usando o elemento finito FFT para analise linear. Ambos os elementos foram aplicados nas análises lineares, verificando-se que o elemento QST requer um menor número de iterações, embora demande um maior tempo computacional, do algoritmo de otimização para atingir a mesma topologia ótima. Vários exemplos da literatura são executados com vistas a mostrar as diferenças na topologia ótima final quando se empregam as análises linear e não linear, permitindo verificar a importância de uma análise correta quanto à topologia ótima final. Em paralelo, o trabalho complementa com o desenvolvimento de uma interface computacional na linguagem Borland Delphi para a união de ambas formulações, implementadas na linguagem Fortran e adaptadas para trabalharem em conjunto, a fim de se avaliar os resultados.
Estudo de viabilidade técnica e econômica para aplicação de organic photovoltaics (OPV) em um edifício residencial.
(2020) Souza, Bruna Araújo; Medeiros, Jackson Cristiano de; Xavier, Marcus Vinícius Souza; Miranda, Sérgio Alves de; Fernandes, Walliston dos Santos; Santos, José Ronaldo Tavares; Vida, Laísa Emmanuelle Brandão Miguel; Dias, Helciene Moreira; Santos, Fábio Tavares
O OPV (Organic Photovoltaics) é recomendado para locais onde não se possa instalar placas solares, como claraboias de shoppings ou fachadas de prédios. Este produto é desenvolvido e comercializado no Brasil e no mundo pela startup mineira (SUNEW), que vem se destacando como uma excelente alternativa de geração de energia elétrica. Quanto à metodologia, este estudo pode ser classificado como qualitativo, quantitativo e descritivo e para tal foi utilizado como referência um edifício residencial de médio porte. Ademais, foram analisados a utilização atual do local e paralelo a coleta de dados, quantificou-se o investimento inicial e o ganho ambiental por redução na emissão de carbono. Conclui-se que, os resultados obtidos foram satisfatórios por ser um produto novo no mercado. Entretanto, sua implantação requer um investimento elevado, o que inviabiliza sua aplicação em pequenos projetos, sendo direcionado a um público que visa produtos sustentáveis, e empresas que se apoiam no marketing verde para atingir esse nicho específico.
Modelagem numérica de elementos sólidos de aço-carbono estrutural, aço inoxidável e liga inconel 718 via método dos elementos finitos.
(2023) Almeida, Lukerman Douglas de; Rocha, Paulo Anderson Santana; Rocha, Paulo Anderson Santana; Lage, Carmen Miranda; Araújo, Ernani Carlos de; Fernandes, Walliston dos Santos
O presente trabalho visa a realização das análises numéricas de elementos sólidos relativos ao aço-carbono estrutural, tanto para o aço de média resistência (MR250) quanto para o de alta resistência (AR350); ao aço inoxidável 304 e da superliga inconel 718. Para isso, implementouse computacionalmente uma formulação matemática baseada no Método dos Elementos Finitos (MEF), que utilizou a linguagem de programação FORTRAN, que teve por propósito a obtenção dos valores de tensões, deformações e deslocamentos nodais dos aços e da liga, levando-se em conta que os materiais apresentam comportamentos elástico-lineares. Quanto às análises das tensões, utilizou-se o método de critério de ruptura de von Mises. Para a discretização dos elementos sólidos, foram utilizados os elementos finitos tetraédricos de 4 nós (T4), hexaédricos de 8 nós (H8) e hexaédricos de 20 nós (H20), sendo que cada nó apresenta três graus de liberdade. Utilizou-se também o Método de Gauss-Legendre (Quadratura de Gauss) para a resolução numérica das integrais. Com o intuito de verificar e validar as respostas obtidas a partir do programa computacional implementado, foram realizadas comparações com resultados encontrados na literatura, e em seguida foram feitas as análises numéricas dos materiais. Este trabalho pretende contribuir de forma eficiente para o cálculo de tensões, deformações e deslocamentos em sólidos.
Otimização de vigas alveolares de aço utilizando método dos elementos finitos e algoritmos genéticos.
(2023) Lubke, Gabriela Pereira; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Amilton Rodrigues da; Neves, Francisco de Assis das; Fernandes, Walliston dos Santos; Sousa Junior, João Batista Marques de; Alves, Élcio Cassimiro
Os estudos sobre otimização de estruturas têm ganhado destaque na atualidade, a busca por consumir os recursos de forma mais consciente e eficaz incentivam o uso de tais técnicas em todos os campos de atuação, e não seria diferente na indústria da construção civil. Nesse sentido, o presente estudo tem por objetivo empregar técnicas de otimização computacional para determinar a máxima capacidade resistente das vigas alveolares de aço, para dois grupos de linhas de corte diferente, um gerando vigas com alvéolos em formato de hexágonos e outro gerando vigas alvéolos com formato de elipses, este segundo grupo contempla como caso particular as vigas com aberturas circulares. O estudo utiliza o programa de elementos finitos FEMOOP, elaborado em linguagem C++, e são implementados um elemento finito triangular de três nós, submetido a um estado plano de tensão, uma rotina para otimização da forma e uma rotina para detalhar a linha de corte ideal a partir do modelo encontrado. As rotinas implementadas são validadas a partir de modelos numéricos e experimentais encontrados na literatura, demonstrando que o programa desenvolvido encontra resultados consistentes. Alguns exemplos de vigas alveolares são otimizados e os resultados são apresentados, indicando que a forma dos alvéolos e tamanho dos montantes interfere significativamente na resistência do perfil expandido.
Otimização do projeto de vigas de concreto protendido usando algoritmo genético.
(2023) Carvalho, Tawany Aparecida de; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Amilton Rodrigues da; Inoue, Hisashi; Fernandes, Walliston dos Santos
A utilização de concreto protendido apresenta diversas vantagens para a construção civil, dentre elas: a possibilidade de seções mais esbeltas e redução do peso próprio; melhor comportamento em relação aos estados limites de serviço de deformação excessiva e de abertura de fissuras; e a redução ou até eliminação das fissuras gerando uma consequente maior durabilidade do elemento estrutural. No entanto, o projeto dessas estruturas ainda possui algumas dificuldades devido ao número de variáveis envolvidas no processo. Visto isso, o objetivo do presente trabalho é implementar e validar um algoritmo evolucionário de otimização estrutural, que buscará minimizar as dimensões da seção transversal de vigas retangulares de concreto protendido para diferentes tipos de carregamentos, vãos, condições de apoios, entre outros, considerando dois métodos de otimização. No processo, são usados elementos finitos de barra para modelar as vigas e elementos finitos de interface para posicionar o cabo de protensão em relação ao eixo da barra, que também representam a interface cordoalha-concreto, simulando o deslizamento entre o concreto e a armadura ativa. Para a busca da solução ótima, é utilizado o algoritmo genético onde o valor de aptidão do indivíduo consiste em definir a menor seção transversal para a viga retangular de concreto protendido, variando o traçado do cabo de protensão e considerando os estados limites de serviço e último. Tal condição é definida através de uma análise não linear da estrutura usando a plataforma de análise de elementos finitos FEMOOP. Após a implementação da formulação apresentada, percebeu-se pelos exemplos e resultados que os métodos implementados neste trabalho se mostraram eficientes para o dimensionamento otimizado de vigas protendidas. A formulação apresentada permite o dimensionamento de vigas com análise estrutural complexa apresentando no final a altura da seção retangular, bem como o traçado do cabo de protensão. Verificou-se que o traçado do cabo de protensão não altera significativamente a capacidade de carga da viga protendida, desde que os diferentes traçados produzam curvaturas inversas ao do carregamento aplicado à viga nos pontos de momentos críticos.
Topology optimization applied to 2D elasticity problems considering the geometrical nonlinearity.
(2015) Fernandes, Walliston dos Santos; Almeida, Valério da Silva; Neves, Francisco de Assis das; Greco, Marcelo
Topological Optimization (TO) of structures in plane stress state with material elastic-linear behavior, buttaking into consideration the geometrical nonlinearities, was performed and the results are presented herein. For this process, an evolutionary heuristic formulation denominated SESO (Smoothing Evolutionary Structural Optimization) associated with a finite element method was applied. SESO is a variant of the classic evolutionary structural optimization (ESO) method, where a smoothing process is applied in the ‘‘hard-kill’’ process of element removal – that is, their removal is done smoothly, reducing the values of the constitutive matrix of the element as if it were in the process of damage. It has been demonstrated that this non-linear geometric phenomenon clearly influences the final optimized topology when compared to an optimum configuration obtained with the equilibrium equations written at an undeformed position. Some numerical examples from literature are presented in order to show the differences in the final optimal topology when linear and non-linear analyses are used, allowing the verification of the importance of correctly analyzing the final optimum topology and as such, demonstrate the advantages of SESO as a structural optimization method.
Two-dimensional beams in rectangular coordinates using the radial point interpolation method.
(2020) Fernandes, William Luiz; Barbosa, Gustavo Botelho; Rosa, Karine Dornela; Silva, Emanuel; Fernandes, Walliston dos Santos
The three-dimensional Theory of Elasticity equations lead to a complex solution for most problems in engineering. Therefore, the solutions are typically developed for reduced systems, usually symmetrical or two-dimensional. In this context, compu- tational resources allow the reduction of these simplifications. The most recognized methods of algebraic approximation of the differential equations are the Finite Differ- ences Method and the Finite Element Method (FEM). However, they have limitations in mesh generation and/or adaptation. As follows, Meshless Methods appear as an al- ternative to these options. The present work uses the Radial Point Interpolation Meth- od (RPIM) to evaluate the stress in two-dimensional beams in regions close to loading (Saint Venant’s Principle). Formulations based on the Fourier Series Theory and the RPIM are presented. Multiquadrics Radial Basis Functions were used to obtain the stiffness matrix. Two numerical examples demonstrate the validity of the RPIM for the proposed theme. The results were obtained from the formulations cited and the Finite Element Method for comparison.
Usina autossustentável de incineração de lixo dispensável pela reciclagem : estudo de viabilidade para a cidade de Belo Horizonte.
(2020) Souza, Bruna Araújo; Fernandes, Walliston dos Santos; Silva, Larissa Camilo de Souza Lima e; Santos, José Ronaldo Tavares; Barbosa, Gustavo Vinícius Duarte; Fonseca, Inara Kellen; Santos, Natália Tavares; Coimbra, Gustavo Rodrigues
Esta pesquisa aborda um estudo preliminar propondo a utilização de um incinerador de lixo urbano como peça fundamental no processo de redução desses dejetos, ou seja, resíduos contaminados que teriam como destino aterros ou lixões, visto que toneladas de lixo se acumulam nesses locais e com o passar do tempo e aumento da população o problema se torna mais grave. A Prefeitura Municipal de Belo Horizonte trabalha com ações capazes de aumentar a quantidade de materiais que podem ser reaproveitados e transformados em outros produtos, sendo necessário apenas expandir as ações que existem. A proposta deste artigo é utilizar tecnologias já existentes e aprimorá-las, criando mecanismos que unam sociedade, sustentabilidade, ciência, trabalho e inovação em um só âmbito. Todavia, o processo começa nas residências com a separação correta do lixo, sendo que após a coleta seletiva a matéria-prima segue para os galpões onde cada classe receberá o tratamento adequado para transformação em novos produtos.O projeto propõe geração ininterrupta de energia através do uso de resíduos da reciclagem e uso de materiais. Além disso, é realizada uma pesquisa de opinião geral, que aborda questões sobre o processo a ser aplicado.