ESTCB - Teses de Doutoramento
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- Metodologias geoestatísticas para a caracterização e avaliação de rochas ornamentaisPublication . Albuquerque, M.T.D.O trabalho de investigação proposto pretende desenvolver um corpo metodológico que, baseado em índices de qualidade e/ou recuperação, sintetize as diversas características que condicionam o valor in situ das rochas ornamentais (e industriais), permitindo, local e regionalmente, definir zonas de elevada favorabilidade para a produção daqueles materiais. A colheita e o registo da informação em diferentes suportes e a diferentes escalas resultou de um trabalho de campo efectuado em diferentes pedreiras de mármores, xistos e ardósias. Procedeu-se numa primeira fase, à observação, quantificação e codificação das características condicionantes da qualidade da pedra como material de construção e/ou como material ornamental, com particular relevo para a caracterização da fracturação. O desenvolvimento da metodologia para construção de variáveis de síntese (índices) foi, numa segunda fase, implementado recorrendo a métodos da Estatística Multivariada e da Geoestatística. A flexibilidade do método permite o ajuste interactivo de pesos a afectar cada atributo, de acordo com os objectivos de validação perante as oscilações constantes que se verificam no mercado. O mapeamento regional do índice de recuperação para as pedreiras de mármore da região de Vila-Viçosa, integrando informação regional, foi, na última fase, implementado recorrendo à aplicação de metodologias Geoestatísticas como a Krigagem com Deriva Externa e Soft Kriging.
- Desenvolvimento de um sistema geoestatístico para o tratamento de imagemPublication . Baião, Maria Aline da Silva Gomes CamachoNesta dissertação é apresentado um package, construído em Visual C++ para ambiente Windows, que articula os procedimentos geoestatísticos de cálculo com entradas e saídas sob a forma de imagem com o objectivo de contribuir para o ajustamento dos métodos geoestatísticos às especificidades dos dados retirados de imagens. Assim, dada uma imagem, o sistema efectua o tratamento geoestatístico solicitado e apresenta os resultados sob a forma de imagem. No sistema desenvolvido, foi ainda privilegiada a modelação automática do variograma (2D) como procedimento principal para a produção do modelo global e o recurso à opção manual, ao contrário do habitual, apenas para casos de existência de informação pericial minorando, dessa forma, a intervenção do utilizador que apenas dialoga com o sistema através de janelas auto-explicativas. O algoritmo de modelação automática recorre aos algoritmos genéticos como metodologia para optimização e aos resultados do teste da validação cruzada para quantificação do grau de ajuste do modelo possibilitando ainda a detecção automática de anisotropias. O software foi testado com três casos de estudo típicos apresentando-se os resultados que ilustram as suas potencialidades no domínio das aplicações envolvendo tratamento de imagem.
- Estruturas mistas madeira-betão com a utilização de betões de agregados levesPublication . Jorge, Luís Filipe de CarvalhoA maioria dos edifícios antigos possui pavimentos em madeira que necessitam de intervenção correctiva. Uma das técnicas de reabilitação mais interessantes consiste na adição de uma lâmina de betão por cima da estrutura existente do pavimento, formando então uma estrutura mista madeira-betão. Esta técnica pode ser aplicada sem grande perturbação do funcionamento normal do edifício existente. Após a operação, a nova estrutura oferece um aumento significativo da sua capacidade de carga e da sua rigidez de flexão. Para além destas, também as características de isolamento acústico e resistência ao fogo são melhoradas. A utilização de betão de agregados leves em alternativa ao betão normal permite a obtenção de ganhos de desempenho consideráveis. O mais significativo advém precisamente da possibilidade de diminuição do peso próprio da estrutura do pavimento em cerca de 40%. Com o intuito de analisar o comportamento das estruturas mistas madeira-betão com a utilização de betão leve estrutural fabricado a partir de agregados leves de argila expandida de origem nacional, foi estabelecido um programa experimental alargado. Os ensaios principais foram realizados em vigas mistas, com 5,4 m de vão, e em pequenos provetes de ligações mistas (0,30x0,16x0,48 m3), ambos em condições de carga de curta duração e longa duração. Os resultados obtidos na caracterização mecânica da ligação são utilizados em modelações de elementos finitos, com o objectivo de antecipar o comportamento em flexão das vigas mistas. Os valores assim obtidos são comparados com os resultados dos ensaios de flexão nas vigas mistas, permitindo a compreensão dos modos de rotura e a origem da capacidade dúctil da estrutura. Os principais resultados indicam que a utilização de agregados leves na especificação de betão estrutural para estruturas mistas madeira-betão pode ser efectuada sem perda significativa de desempenho, obtendo até um balanço positivo em relação ao betão normal considerando, por exemplo, o comportamento diferido global da estrutura.
- Controlo visual de robôs manipuladoresPublication . Gonçalves, Paulo; Pinto, João Rogério CaldasNa presente tese é abordado o controlo visual de robôs manipuladores. Sobre o tema é apresentado o estado da arte e ainda as ferramentas de visão por computador necessárias à sua implementação. São apresentadas seis contribuições ao controlo visual de robôs manipuladores, nomeadamente o desenvolvimento de um aparato experimental, dois controladores visuais dinâmicos, a aplicação de filtros fuzzy ao controlo visual cinemático, a modelação fuzzy do sistema robô-câmara e o controlo fuzzy do sistema baseado no modelo inverso. O aparato experimental desenvolvido é composto por três partes, nomeadamente um robô manipulador planar de dois graus de liberdade, um sistema de visão com 50Hz de frequência de amostragem e o software desenvolvido para controlar e interligar os dois componentes anteriores. O aparato experimental desenvolvido permitiu validar experimentalmente, em tempo real, os controladores propostos nesta tese. O controlo visual dinâmico actua directamente os motores do robô, em contraste com o controlo visual cinemático que gera uma velocidade de junta a seguir pelo robô, através da utilização de um controlo interno em velocidade. A primeira contribuição ao controlo visual dinâmico é um controlador baseado na imagem, especialmente desenvolvido para o robô do aparato experimental, na configuração eye-in-hand. A segunda contribuição é o desenvolvimento de um controlador visual dinâmico baseado em posição para a configuração eye-in-hand, não estando restringido a um número fixo de graus de liberdade do robô. É ainda demonstrada a estabilidade assimptótica de ambos os controladores. A aplicação de lógica fuzzy ao controlo visual cinemático de robôs manipuladores baseado na imagem, revelou três contribuições. Com a aplicação de filtros fuzzy ao controlo visual cinemático, com planeamento de trajectórias ou em regulação, o desempenho do controlador é melhorado, i.e. as velocidades de junta do robô diminuem nos instantes iniciais e o carácter oscilatório destas é atenuado quando o tempo de amostragem de visão é elevado. Foi obtido o modelo inverso do sistema robô-câmara através de modelação fuzzy, tendo sido desenvolvida uma metodologia conducente à obtenção do referido modelo. O modelo inverso fuzzy é utilizado como controlador do sistema robô-câmara, com o objectivo de fornecer as velocidades de junta capazes de mover o robô para a posição desejada. Foi ainda utilizado um compensador fuzzy para compensar eventuais discrepâncias entre o modelo obtido e o sistema real.
- Estudo de sistemas de vedação aerodinâmica do tipo cortina de arPublication . Neto, LuísResumo: Nos domínios comercial e industrial são frequentes as situações em que há necessidade de reduzir ou controlar as trocas de calor e de massa entre um espaço interior com atmosfera controlada – onde os parâmetros ambientais tais como temperatura, humidade, concentração de poluentes, etc. sejam mantidos em níveis compatíveis com a actividade aí exercida – e o ambiente exterior, exigindo-se, simultaneamente, facilidade de circulação de pessoas e/ou equipamentos. Em termos práticos, o confinamento de ambientes específicos é normalmente conseguido com a utilização de barreiras aerodinâmicas – habitualmente designadas por cortinas de ar – constituídas por um ou vários jactos de ar. A cada vez maior apetência da sociedade contemporânea por ambientes que possam proporcionar condições confortáveis (térmicas ou outras) aos seus utentes, conjugadas com as também prementes necessidades de optimização dos consumos energéticos, têm vindo a criar um vasto conjunto de situações em que se justifica a instalação deste tipo de aparelhos. Neste trabalho apresenta-se o estudo experimental da influência de diversos parâmetros geométricos e dinâmicos sobre o desempenho de um aparelho de cortina de ar instalado por cima duma porta de comunicação entre duas salas contíguas, de igual dimensão, mantidas a temperaturas diferentes. Com esta configuração pretende-se simular a situação típica de vedação de um espaço comercial ou habitacional climatizado, no qual se pretendem manter condições de conforto térmico, relativamente a um outro ambiente (interior ou exterior) que poderá estar mais quente ou mais frio. Os ensaios foram realizados numa instalação experimental, à escala real, projectada e construída para o efeito e de entre os parâmetros geométricos e dinâmicos estudados encontram-se a altura da porta a vedar, a distância (em relação ao chão) a que se encontra instalado o aparelho de cortina de ar, a diferença de temperatura imposta às salas bem como a velocidade e o ângulo inicial do jacto. Em todos os ensaios realizados foi determinada a eficiência de vedação proporcionada pelo aparelho de cortina de ar através de uma técnica de gases traçadores. Para algumas das configurações estudadas foram também efectuados mapeamentos do escoamento em termos de velocidade e de temperatura do ar, quer na vizinhança da porta a vedar, quer noutras zonas consideradas de interesse, utilizando-se para esse efeito um conjunto de dezasseis termo-anemómetros de baixa velocidade. Alguns desses termo-anemómetros serviram igualmente para detectar a localização do ponto de impacto do jacto de ar no solo. Num conjunto mais restrito das configurações estudadas foi utilizada uma câmara termográfica de infravermelhos para efectuar visualizações do comportamento do jacto gerado pela cortina bem como do movimento das massas de ar entre as duas salas. Através dos resultados obtidos pode concluir-se que o conjunto dos métodos experimentais desenvolvidos no presente estudo permitem avaliar, de forma clara, o desempenho real de vedação aerodinâmica das cortinas de ar. Através da sua aplicação foi possível obter um conhecimento aprofundado dos campos do escoamento e da temperatura, o que se veio a revelar útil para uma boa compreensão dos fenómenos convectivos em jogo. O subsequente estudo paramétrico detalhado veio demonstrar que, para um mesmo aparelho de cortina de ar, a eficiência de vedação pode ser maximizada se for encontrada a relação óptima entre a velocidade do ar à saída da cortina e a diferença entre as temperaturas dos compartimentos a vedar. Para a selecção e a instalação destes equipamentos é também importante o conhecimento detalhado da influência dos parâmetros geométricos, nomeadamente a altura de montagem da cortina e a inclinação inicial do jacto. Outro aspecto que foi objecto de análise no presente trabalho (e que até à data não tinha sido estudado) tem a ver com as perturbações produzidas pela passagem de pessoas e/ou objectos pela porta que se pretendia vedar. A utilização de um manequim de montra acoplado a um sistema de movimentação contínuo permitiu quantificar a perda de eficiência deste tipo de sistemas quando a zona de acção dos jactos é atravessada com alguma frequência por pessoas.
- Estudo do comportamento de materiais britados não ligados em pavimentos rodoviáriosPublication . Luzia, Rosa; Santos, Luís de PicadoOs materiais britados de granulometria extensa têm uma ampla aplicação nas camadas granulares não ligadas de pavimentos rodoviários, nomeadamente em sub-base e base granular. No entanto e apesar dos esforços realizados nesse sentido, o comportamento destes materiais naquele tipo de camadas não se encontra ainda suficientemente caracterizado, em especial no que diz respeito ao seu comportamento mecânico. Com o presente trabalho, cujo objectivo principal foi a caracterização e elaboração de modelos típicos de comportamento para materiais britados de diferentes litologias, aflorantes em Portugal continental, passíveis de serem utilizados em sub-base e base de pavimentos rodoviários, pretendeu contribuir-se para esse estudo. Após verificação de que os materiais britados mais frequentemente utilizados naquele tipo de camadas eram o calcário e o granito, foram seleccionadas três obras, em construção à data do início do presente estudo e nas quais foram utilizados calcário e granito britados, o tipo de materiais mais utilizados naquele tipo de camadas, bem como as pedreiras fornecedoras das mesmas. Procedeu-se depois à caracterização geotécnica e mecânica dos respectivos materiais em laboratório, bem como à caracterização do comportamento mecânico in situ, com a realização do “Ensaio de Carga com o Deflectómetro de Impacto”. A partir dos resultados da caracterização mecânica dos materiais em laboratório procedeu-se à modelação do seu comportamento mecânico resiliente recorrendo a cinco modelos, encontrou-se a melhor simulação para cada um deles e, de entre estes, o que apresentava valores de módulo reversível mais conservadores. Fazendo a aplicação da modelação encontrada a situações típicas de dimensionamento, verificou-se que o valor do módulo resiliente das camadas do tipo das estudadas, obtido recorrendo ao modelo estabelecido e às tensões instaladas (estas, por sua vez, obtidas através de cálculo estrutural dos pavimentos em causa), apresentava valores 3 a 4 vezes inferiores aos geralmente considerados no dimensionamento de pavimentos e, de resto, encontrados com a realização dos ensaios triaxiais cíclicos e dos ensaios não destrutivos in situ. A explicação mais plausível para este facto, no caso dos ensaios in situ, está relacionada com fenómenos de sucção que se desenvolvem nos materiais granulares quando colocados naquele tipo de camadas e, no caso dos ensaios triaxiais cíclicos, com as tensões de confinamento usadas, de acordo com a norma americana seguida. Os factos assinalados conduziram à percepção de que as camadas granulares, de facto, mobilizam geralmente uma rigidez bastante inferior à considerada em processos tradicionais de dimensionamento empírico-mecanicista. Isto significa que muda a forma como ela tem de ser considerada nestes processos. O estudo conduziu, finalmente, a uma proposta de que o dimensionamento passe a ser conduzido com valores iguais de rigidez (módulo de deformabilidade) para as camadas não aglutinadas (camadas granulares e solo de fundação). Esta rigidez seria estabelecida através da sua modelação para camadas granulares usando ensaios triaxiais cíclicos e função do estado de tensão calculado como é usual num processo de dimensionamento como o referido. Isto, sem prejuízo da necessidade de avaliar mais eficazmente, no futuro, a influência do teor em água do material no seu comportamento mecânico.
- Proposta de serviços internet para suporte à personalização de eAprendizagemPublication . Santos, OsvaldoEsta tese propõe modelos para serviços Internet com a capacidade de personalizar experiências de eAprendizagem através da localização, selecção, recombinação e reutilização dinâmica de objectos de aprendizagem, tendo em consideração o perfil individual do formando, os objectivos de formação e o contexto em que o processo de aprendizagem se insere. Os modelos de personalização são suportados por um modelo para a classificação de objectos de aprendizagem que permite representar áreas de conhecimento como uma rede de conceitos interrelacionados. Cada conceito é encapsulado num segmento de conhecimento com uma abrangência conceptual definida através de metadados. Os relacionamentos entre os diversos segmentos permitem modelar as relações, afinidades e dependências que existem entre os diversos conceitos. O modelo de classificação permite associar segmentos de conhecimento a objectos de aprendizagem, suportando a sua avaliação segundo critérios de qualidade e conformidade. Os modelos de personalização usam as características individuais de cada formando como chave para a geração dinâmica de experiências de eAprendizagem adequadas às suas necessidades particulares. São propostos três serviços personalizados concretos que se baseiam nestes modelos. O serviço mais simples permite filtrar e ordenar os resultados de pesquisas de conteúdos de acordo com o perfil individual de cada utilizador. Um outro serviço, chamado “aconselhamento personalizado”, permite a sugestão automática de planos de aprendizagem para revisão de conceitos, considerando os requisitos prévios do objectivo de aprendizagem e as dificuldades e competências do utilizador relativamente a esses requisitos. O terceiro serviço, intitulado “geração dinâmica de planos de aprendizagem”, permite criar automaticamente planos de aprendizagem personalizados, através da geração dinâmica de objectos de aprendizagem independentes. É apresentado um método para a maximização da coerência dos planos de aprendizagem assim gerados. Finalmente, é proposto um modelo para a integração dos conceitos de gestão de direitos digitais nos modelos anteriores, de modo a permitir a coexistência de conteúdos gratuitos e não gratuitos no mesmo plano de aprendizagem gerado dinamicamente.
- Modelização cinzenta aplicada à síntese de controladores com baixa complexidadePublication . Vieira, José BarrosNas últimas décadas tem-se assistido à automatização generalizada da maioria dos sistemas e equipamentos que nos rodeiam no dia-a-dia, desde os sistemas industriais, de transporte, até aos pequenos electrodomésticos. A automatização dos sistemas torna-os mais inteligentes, no sentido de maior capacidade de adaptação operacional e maior eficácia, facilitando e simplificando a sua utilização. O problema que serviu de motivação ao desenvolvimento deste trabalho foi precisamente a automatização de um equipamento de aquecimento de água a gás, conhecido por esquentador doméstico. Neste sentido, o presente trabalho propõe novas estratégias de automatização inteligentes para o controlo de um esquentador, adaptadas à execução em sistemas embutidos de baixo poder de cálculo. Este trabalho suporta a tese de que a utilização de modelos com um elevado nível de interpretabilidade propicia a construção de estruturas com baixa complexidade matemática, potenciando a simplicidade das malhas de controlo. A interpretabilidade dos modelos deste tipo, tipicamente classificados como de caixa cinzenta ou cinzentos, depende do tipo de conhecimentos utilizados e incorporados na sua construção. Existindo, desde modelos construídos e identificados com base em dados de entrada e saída que apresentam baixos níveis de interpretabilidade, passando por modelos baseados em conhecimentos experimentais com níveis de interpretabilidade intermédios até modelos baseados em conhecimentos fenomenológicos que apresentam elevados níveis de interpretabilidade. Com o objectivo de construir modelos para o esquentador com um razoável nível de interpretabilidade são neste trabalho apresentados e explorados três métodos de modelização neuro-difusa (modelização cinzenta escura) orientada por blocos (modelização cinzenta) e híbrida (modelização cinzenta clara). Neste âmbito, são propostos como modelos para o esquentador: o modelo neuro-difuso, Hammerstein adaptativo polinomial/neuro-difuso e híbrido série polinomial/neuro-difuso. Utilizando os referidos modelos são propostas três malhas de controlo baseadas no controlador Smith preditivo, com algumas simplificações que resultam da interpretabilidade dos respectivos modelos, tal como a linearização do esquentador relativamente ao fluxo de gás. Finalmente, os desempenhos dos vários controladores assim como os respectivos níveis de interpretabilidade e de complexidade matemática são comparados. Este trabalho apresenta diversas contribuições ao nível das diferentes abordagens de modelização e da definição de algoritmos de controlo a aplicar num esquentador doméstico: •Definição e identificação do modelo neuro-difuso, dos modelos Hammerstein adaptativo polinomial/neuro-difuso e dos modelos híbridos série polinomial/neuro-difuso, que exploram as várias metodologias de combinação de conhecimentos a priori na sua construção (modelização cinzenta); •Proposta de definição da equação de balanço de energias de um esquentador doméstico; •Proposta de alteração da malha de controlo Smith preditivo de forma a linearizar o sistema relativamente a uma dada variável de entrada; .Apresentação da malha de controlo Smith preditivo para sistemas com múltiplas entradas com diferentes tempos mortos; •Aplicação dos vários modelos cinzentos no controlo automático de um esquentador doméstico, obtendo controladores adaptativos e não adaptativos de complexidade matemática relativamente baixa. Este trabalho disponibiliza uma gama diversificada de soluções de controlo automático para o esquentador com semelhantes níveis de desempenho, mas com diferentes níveis de interpretabilidade e de complexidade matemática. De referir que os testes e as avaliações das soluções de controlo apresentadas, além de simuladas antecipadamente num computador, foram efectuados com dados reais.
- Previsão da resistência à fadiga em juntas soldadas reabilitadas por técnicas de refusãoPublication . Ramalho, ArmandoNeste trabalho realizou-se um estudo de fadiga no qual se analisou o efeito das técnicas de refusão TIG e plasma na reabilitação de juntas soldadas em T, fissuradas no pé do cordão. Os resultados obtidos para as juntas como soldadas, melhoradas por refusão TIG, melhoradas por refusão plasma, reabilitadas por refusão TIG e reabilitadas por refusão plasma são apresentados em curvas S-N com intervalo de confiança de 95%. Os benefícios na vida de fadiga das juntas reabilitadas pelas duas técnicas de refusão, foram avaliados através dos resultados experimentais e através de um modelo de estimação baseado na Mecânica da Fractura Linear Elástica. Foram avaliados, pela técnica do furo e por difracção de raios X, os valores das tensões residuais gerados nas diversas juntas, como soldada, melhoradas por refusão TIG ou Plasma e reabilitadas por refusão TIG ou plasma. Foi desenvolvido e validado um modelo de estimação das tensões residuais nas juntas melhoradas por refusão TIG ou plasma, utilizando o programa de elementos finitos MARC.
- Contribuições para o controlo da actividade de produção no sector de produção por encomendaPublication . Fernandes, Nuno O.O Controlo da Actividade de Produção (CAP) é uma função de importância estratégica para o sucesso económico das empresas industriais. Este incide sobre duas vertentes de decisão fundamentais: a de lançamento de trabalhos para a produção e a de controlo do fluxo de materiais. Esta tese estuda a primeira na óptica do controlo da carga - Workload Control (WLC) e a segunda na óptica do paradigma push. Neste contexto, desenvolveu-se um modelo genérico capaz de configurar uma variedade considerável de mecanismos de CAP pela sua conveniente parametrização. Adicionalmente, concebeu-se um novo mecanismo de CAP baseado em WLC, designado de gPOLCA. O mecanismo é adequado para aplicação no sector de produção por encomenda e baseado no mecanismo POLCA de Quick Response Manufacturing, desenvolvido por Suri (1998). Num estudo comparativo, o mecanismo gPOLCA mostrou melhor desempenho do que outros vulgarmente utilizados na prática industrial, incluindo o POLCA. Numa outra direcção de investigação relacionada, analisou-se a influência de algumas estratégias de CAP, assim como de alguns parâmetros de lançamento, no desempenho dos mecanismos de WLC. Isto foi motivado, por um lado, pela diversidade de mecanismos de WLC que têm sido desenvolvidos por diversos autores e, por outro, pela dificuldade de cabalmente compreender o seu comportamento, quando vistos como um todo. Assim, estudaram-se três instâncias de duas configurações típicas, nomeadamente job shop e flow shop. Os resultados mostraram que as estratégias de CAP de dimensões, como o controlo da carga no sistema e a contabilização da carga ao longo do tempo, e que os valores de parâmetros de lançamento, como o intervalo de tempo entre lançamentos, a janela temporal de lançamentos e os limites de carga, podem influenciar significativamente o desempenho dos mecanismos de WLC. Verificou-se, ainda, que os parâmetros de lançamento são particularmente sensíveis a perturbações no sistema produtivo decorrentes de alterações na distribuição do intervalo entre chegadas ao sistema, na distribuição dos tempos de processamento e na carga do sistema. Os resultados obtidos podem claramente orientar a prática industrial de CAP, alertando para a particular atenção que deve ser dada à selecção dos valores dos parâmetros de lançamento e indicando estratégias importantes a ter em conta. No estudo experimental realizado usaram-se modelos de simulação por computador desenvolvidos em ARENA e planos de experimentação para análise da robustez das estratégias e dos parâmetros considerados a perturbações no sistema produtivo, baseados na metodologia de Taguchi.