Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10316/24527
Title: Desenvolvimento de modelos numéricos e aplicação da termografia na deteção e caraterização de defeitos em elementos de construção
Authors: Simões, Maria Inês Vieira 
Orientador: Tadeu, A. J. B.
Simões, Nuno Albino Vieira
Keywords: Construção civil; Defeitos da construção -- modelos numéricos; Defeitos em materiais de construção; Termografia de infravermelhos
Issue Date: 11-Jun-2013
Publisher: [do autor]
Citation: SIMÕES, Maria Inês Vieira - Desenvolvimento de modelos numéricos e aplicação da termografia na deteção e caraterização de defeitos em elementos de construção. Coimbra : [s.n.], 2013
Project: PTDC/ECM/114189/2009 
SFRH/BD/48138/2008 
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: O adequado desempenho dos materiais, dos elementos e soluções construtivas pode ser afetado pela presença de vazios, fissuras ou defeitos internos. Atualmente, estão disponíveis técnicas não destrutivas (non-destructive techniques - NDT) que permitem caracterizar aspetos específicos dos sistemas construtivos. A NDT mais aplicável à área da Engenharia Civil deverá possibilitar a deteção de defeitos de pequena dimensão com a máxima precisão, e abranger a inspeção de extensas áreas. Dado que a difusão de calor através de um sistema é afetada pelas características dos meios que o compõem e pela eventual existência de defeitos, o uso de técnicas de termografia infravermelha (infrared thermography - IRT) tem-se revelado uma NTD adequada à inspeção preventiva. Na área da Engenharia Civil, a bibliografia evidencia uma predominância de trabalhos de âmbito qualitativo. Os estudos quantitativos, embora sejam desejáveis, caracterizam-se por uma maior complexidade, por dependerem de múltiplas variáveis que afetam a resposta térmica das soluções construtivas. No entanto, a crescente importância da deteção e caracterização de defeitos internos, aliada à evolução das técnicas e equipamentos de IRT, motiva o desenvolvimento e aplicação de ensaios quantitativos. Esta caracterização quantitativa requer um conhecimento profundo dos fenómenos envolvidos e beneficia com o desenvolvimento de modelos de simulação. O principal objetivo desta tese é o desenvolvimento de ferramentas numéricas e modelos experimentais que permitam avaliar a aplicabilidade da técnica IRT na deteção e identificação de defeitos em materiais e elementos de construção (em particular quando os defeitos apresentam uma espessura reduzida). Uma vez que, para concretizar este objetivo, é importante conhecer a transferência de calor no interior de sistemas compostos por meios sólidos e homogéneos que contenham inclusões, o estudo incide no desenvolvimento de formulações analíticas/numéricas que visam a modelação da transferência de calor por condução, em regime transiente. Deste modo, prevê-se que esta tese contemple duas abordagens: uma analítica/numérica e outra experimental. Na componente numérica desenvolvem-se ferramentas para modelar a condução de calor em sistemas complexos, os quais podem conter inclusões finas. Estas formulações são feitas no domínio da frequência, ou seja, após a aplicação de transformadas de Fourier no domínio do tempo, tendo sido verificadas por comparação das suas respostas com soluções de referência, e validadas com base em testes experimentais. Numa primeira fase propôs-se um conjunto de soluções analíticas (nomeadamente funções de Green) para estudar a propagação de calor em sistemas com geometria simples: inclusões cilíndricas circulares e sistemas estratificados compostos por uma sequência de camadas planas e paralelas. Estas soluções analíticas permitem a verificação de soluções numéricas implementadas ao longo do trabalho. Por outro lado, a utilização das adequadas funções de Green permite evitar a discretização de interfaces planas, durante a modelação de sistemas mais complexos. Ainda na componente numérica, foram desenvolvidas formulações numéricas, baseadas no Método dos Elementos de Fronteira (Boundary Element Method - BEM), possibilitando a análise de sistemas que incorporam inclusões de geometria irregular e de espessura muito reduzida. Na modelação deste último caso, a formulação clássica de BEM degenera, pelo que é apresentada uma formulação baseada na derivada da equação integral fronteira (vulgarmente conhecida por TBEM). Nesta tese explora-se, ainda, o recurso ao Método das Soluções Fundamentais (MFS), que combinado com os métodos anteriores permite reduzir significativamente o esforço computacional, sem prejuízo da precisão da resposta. Foi posteriormente realizada a aplicação daqueles modelos numéricos a sistemas que incorporam inclusões finas, tendo-se efetuado também a comparação com os resultados de uma campanha experimental, na qual se utilizou um equipamento de IRT para avaliar o campo de temperaturas à superfície de provetes com defeitos na sua constituição. Após a validação, utilizou-se a ferramenta numérica para avaliar a aplicabilidade da IRT em provetes com diferentes características.
The normal performance of materials, elements and constructive solutions can be affected by the presence of voids, cracks and internal defects. Many non-destructive evaluation techniques (NDTs) are now available to characterize specific aspects of constructive systems. The ideal NDT, applicable to civil engineering, must be able to reliably detect the smallest flaw that is of concern, and must be able to inspect both large and localized areas. Since heat diffusion through a system is affected by the characteristics of its media and is sensitive to the presence of cracks, voids and other classes of defects, the infrared thermography technique (IRT) has proved to be a useful, powerful, non-destructive inspection method. However, in civil engineering, IRT is mainly used for the qualitative assessment of the state of building elements. Although quantitative studies are helpful, they are characterized by the complex relationships between the variables, which affect the thermal response of materials and construction elements. However, because it is becoming increasingly important to characterize internal anomalies using NDTs, research that may lead to quantitative IRT assessment is very useful. Quantitative characterization requires a thorough understanding of the phenomena involved and the development of simulation models. The main objective of this thesis is to develop numerical tools and experimental models to evaluate the applicability of IRT to the detection and identification of defects (particularly those of reduced thickness) in materials and construction elements. This objective requires understanding of the heat transfer process in solid and homogeneous systems containing inclusions, and so the study focuses on developing analytical/numerical formulations to model transient heat transfer by conduction. This thesis therefore considers two approaches: an analytical/numerical approach, and an experimental approach. In the numerical approach, formulations are developed to model heat conduction in complex systems, which can contain thin inclusions. After applying a Fourier transform in time domain, the problems are solved in frequency domain. The formulations are verified by comparing their responses with those obtained with reference solutions, which are then validated against experimental results. Initially, a set of analytical solutions (specifically the Green’s functions) are proposed for studying heat propagation in systems with a simple geometry: circular cylindrical inclusions and a layered system composed of plane and parallel layers. These analytical solutions enable the verification of the numerical models implemented in this work. The use of appropriate Green’s functions avoids the discretization of planar interfaces when complex systems are modelled. Numerical formulations based on the boundary element method (BEM) were also developed under the numerical approach. This allowed the analysis of systems with irregular and/or thin inclusions. The classic BEM formulation degenerates when it is used to model thin inclusions, therefore a formulation based on the derived boundary integral equation (TBEM) is presented. These two methods are combined to simulate thin inclusions. The method of fundamental solutions (MFS) is also explored in this thesis. The combination of the three methods mentioned can lead to a significant reduction of computational effort without loss of accuracy. The numerical models are applied to systems with thin inclusions. The numerical results are also validated by comparing them with the experimental results obtained with IRT equipment, since the IRT camera evaluates the temperature field on the surface of specimens containing defects. After validation, the numerical tool was used to evaluate the applicability of IRT to specimens with other characteristics.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Civil, na especialidade de Construções, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: https://hdl.handle.net/10316/24527
Rights: openAccess
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