FCT: DEC - Teses de Doutoramento
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- Rebocos de terra: Avaliação da sua durabilidade e ecoeficiênciaPublication . Santos, Tânia Raquel Alves dos; Faria, Paulina; Silva, AntónioOs rebocos de terra apresentam vantagens estéticas, ecológicas e técnicas. Quando aplicados no interior, os rebocos de terra contribuem para a regulação da humidade relativa e podem atuar como purificadores do ar interior contribuindo, assim, para melhorar a sua qualidade e o conforto e saúde dos ocupantes dos edifícios. Contudo, são vulneráveis ao contacto com a água líquida, o que pode ser considerado como desvantagem, mas também como vantagem dinâmica. O presente estudo pretende otimizar a durabilidade e o desempenho técnico e ambiental dos rebocos de terra, sem perder a sua capacidade higroscópica. Esta otimização foi avaliada de duas formas: através da aplicação de tratamentos de superfície sobre um reboco de terra; através da otimização da formulação das argamassas de reboco de terra, pela adição de baixos teores de ligante ou de resíduo com capacidade ligante, ou através da substituição parcial ou total da areia complementar por resíduos. Para as formulações otimizadas das argamassas de reboco foi realizada uma avaliação do ciclo de vida ambiental e económico. A aplicação de cera de abelha e de óleo de linhaça sobre o reboco de terra alterou a cor da superfície e melhorou o desempenho superficial e a resistência ao contacto com a água, diminuindo, contudo, a sua capacidade higroscópica. Por outro lado, a aplicação de óxido de grafeno e de águas de imersão de papel e de cartão de gesso cartonado não alterou a cor da superfície do reboco, mas também não melhorou significativamente o desempenho do reboco de terra, chegando mesmo a piorá-lo em certos casos. Na otimização da formulação concluiu-se que a adição de gesso hemihidratado corrente (G) e de resíduo de gesso cartonado tratado ou não tratado termicamente (GPWh e GPW, respetivamente) promoveu uma melhoria do desempenho mecânico e resistência ao contacto com a água das argamassas de terra, não influenciando significativamente a capacidade higroscópica do reboco. Contudo, a adição de GPWh promoveu um aumento dos impactes ambientais e económicos da argamassa de terra, en- quanto a adição de GPW manteve ou diminuiu os impactes. Por outro lado, concluiu-se que a substitui- ção parcial ou total de areia por resíduo de cerâmica de barro vermelho (CeW) e por resíduo de vidro reciclado de painel fotovoltaico (GW) não influenciou significativamente a capacidade higroscópica do reboco e a sua resistência ao contacto com a água. Contudo, a substituição de areia por GW melhorou as resistências mecânicas do reboco, enquanto as substituições por CeW as mantêm. Estas substituições mantêm ou aumentam os impactes ambientais das argamassas, diminuindo, contudo, os seus custos.
- THERMAL REHABILITATION OF RESIDENTIAL BUILDINGS USING SOLAR PASSIVE TECHNOLOGIES THERMAL REHABILITATION OFCONCEPTUALIZATION AND DEVELOPMENT OF THE SOLAR BRIDGE RETROFIT SYSTEM (SBRS) - AN INNOVATIVE VARIANT OF THE TROMBE WALLPublication . Coimbra, Sara Andreia Brito; Aelenei, Daniel; Gomes, Maria Glória; Rodrigues, AntónioMost of Portugal's residential building stock was constructed before the first thermal code, leading to poor energy efficiency and thermal performance. As a result, many buildings require retrofitting to achieve energy savings and improve thermal comfort, especially during the heating season. Structural components of load-bearing concrete frame buildings, such as concrete beams and columns, often act as thermal bridges, contributing significantly to poor energy performance and inadequate indoor thermal comfort. To leverage Portugal's solar availability and mitigate the impact of structural thermal bridge areas in non-retrofitted buildings, an innovative solar passive retrofit solution, the Solar Bridge Retrofit System (SBRS), was developed. This concept is a variant of the unvented Trombe wall, incorporating an external transparent skin in front of the structural areas, combined with traditional ETICS for the remaining façade. Unlike traditional Trombe walls, this innovative design allows the heavy structure of the building to absorb solar radiation and slowly conduct the heat inward or to the adjacent structure, helping to offset heat loss This PhD research aimed to: (1) Identify the advantages and drawbacks of Solar Passive Technologies; (2) Design the SBRS concept; (3) Conduct both experimental and numerical studies to assess the behaviour of a façades equipped with SBRS. The study´s findings demonstrate that SBRS: 1) can significantly increase indirect-solar gains in structural thermal bridge areas during the heating season; 2) performs better with a double-glazing layout compared to single glazing; 3) requires ventilation strategies to optimize summer performance; and 4) is suitable across all Portuguese climate zones.
- Computational tool for self-healing asphalt mixture modelingPublication . Câmara, Gustavo Felipe Medeiros da; Micaelo, Rui; Azevedo, NunoEncapsulated rejuvenators are a promising approach to improving the self-healing capac- ity of asphalt pavements and extending their service life. Rigid particle models, based on the Discrete Element Method (DEM), provide a solution to assess their effects on asphalt mixtures. This thesis aimed to develop a three-dimensional DEM model, Virtu- alPM3DLab, for analyzing self-healing asphalt mixtures, directly representing aggregates and mastic. Contact models were developed to assess the viscoelastic properties, mechani- cal strength, damage evolution, and the post-healed state behavior of these materials. The VirtualPM3DLab incorporates a new viscoelastic generalized Kelvin (GK) contact model, which offers an improved rheological representation over a wider range of frequencies and temperatures compared to the commonly used Burgers model. New contact models, coupled with the GK model, were proposed to account for damage. A macroscopic calibration tool and a visualization program were developed to calibrate the GK contact parameters and evaluate the pre and post-processing. Simulations were carried out for validating the models under different loading conditions. The results were consistent with laboratory observations, particularly in predicting the stiffness and fracture proper- ties. The numerical findings provided significant insights into the impact of rejuvenator oil on the post-healed state of mixtures, especially on the stiffness and the content of capsules that could be adopted without compromising their rheological properties. The work developed in this thesis established the basis for an efficient numerical approach to modeling self-healing asphalt mixtures, paving the way for the development of more efficient pavements.
- Development of bio-based particleboards for buildings' indoor usePublication . Cintura, Eleonora; Nunes, Lina; Faria, Paulina; Molari, LuisaThe environmental problems are more and more serious, and solutions to moderate climate change are urgently required. The construction sector is widely responsible for energy, water, and raw materials consumption and for pollution; thus, the use of low embodied energy and sustainable building products are efficient possibilities to overcome environmental challenges. Nowadays the opportunity of enhancing and re-proposing natural materials for building practices is increasingly catching on. Wastes and by-products seem to be an efficient solution: bio-waste-based products with good quality and ease of use are more and more analysed and proposed, moderating the problem of solid waste disposal as well. Furthermore, they can con- tribute to passively control indoor conditions, guaranteeing both healthy places and user well- being, and lowering the energy demands of buildings. Starting from this knowledge, this thesis aimed to produce sustainable and eco-efficient indoor particleboard reusing agro-industrial bio-wastes and bio-resources as aggregates with a significant contribution to improving indoor conditions. The bio-aggregates were bounded by non-toxic adhesives that can secure low environmental impact in the production process, being able to moderate bio-based materials' drawbacks. The outcome was the development and assessment of bio-based particleboards for buildings' indoor applications with hazelnut shell, Arundo donax and sodium silicate. A hori- zontal analysis was carried out; hence several properties were considered; among others, bio- susceptibility, and performance in case of fire were investigated, as they are two of the main drawbacks of using bio-based building materials. Finally, the sustainability of the proposed boards was evaluated qualitatively by considering the Life Cycle Assessment.
- PROTECTION OF INFRASTRUCTURES AGAINST EXPLOSIONS USING DUCTILE BLAST ENERGY-ABSORPTION CONNECTORSPublication . Gomes, Gabriel de Jesus; Lúcio, Válter; Cismasiu, CorneliuA proteção de edifícios e outras estruturas contra explosões constitui uma preocupação crescente para as autoridades civis e militares, visando preservar vidas e assegurar a continuidade do negócio ou das operações. Esta investigação explora o uso de um sistema de absorção de energia empregando o mecanismo de inversão externa livre em tubos de aço, aproveitando as suas caraterísticas apropriadas, como a disponibilidade de materiais, facilidade de fabricação, estabilidade, previsibilidade na absorção de energia, flexibilidade de projeto e eficiência. A flexibilidade do mecanismo de inversão externa livre permite que se selecionem uma ampla variedade de parâmetros, incluindo diâmetro, espessura, propriedades do aço e curso deformável, proporcionando uma solução adaptável para ameaças específicas de explosão e níveis de proteção pretendidos. A pesquisa envolveu uma revisão detalhada do estado-da-arte, seguida pelo desenvolvimento, caracterização estática e validação experimental do conector dissipador de energia através de uma campanha de ensaios com explosões à escala real. Os resultados indicam que o sistema reduz efetivamente a deformação do painel e as forças laterais na estrutura a proteger, demonstrando resistência a excentricidades de carga dentro de certos limites. Os modelos de cálculo simplificados mostram-se confiáveis para calcular o comprimento de inversão e prever a resposta do painel de fachada e da estrutura protegida face a uma ação de explosão, oferecendo uma precisão aceitável quando comparados com análises numéricas mais sofisticadas. Destaca-se ainda a natureza iterativa do processo de cálculo, em que, se a resposta exceder os limites definidos no projeto, podem ser feitos ajustes, redefinindo o cenário de explosão ou modificando a geometria e propriedades dos materiais do painel de fachada. Esta abordagem iterativa permite o aperfeiçoamento e otimização do sistema de proteção até que o nível de desempenho desejado seja atingido. Esta investigação oferece uma abordagem aprofundada relativamente às considerações de projeto e sobre o processo iterativo de melhoria da proteção estrutural face a explosões, contribuindo para o esforço de mitigação dos riscos colocados pela ameaça explosiva. O sistema de proteção desenvolvido apresenta uma reconhecida eficiência, ainda que se considere necessário prosseguir com experimentação subsequente no sentido de explorar a sua aplicabilidade e eficácia face a um leque mais abrangente de condições de carregamento dinâmico.
- Eco-efficient Plasters for Increased Indoor Air Quality and ComfortPublication . Ranesi, Alessandra; Faria, Paulina; Silva, Maria do RosárioIndoor walls and ceilings are often coated with plasters. Due to the large surface in contact with indoor air, the plasters can passively contribute to moisture regulation and pollutant removal. The work presented intends to better understand this contribution, while enhancing, when possible, the plasters formulations for the purpose. The first step was to analyze the hygroscopic response of traditional and modern binder-based plasters. To do so, a first study was run to quantify the relative humidity fluctuations indoor. Then, the methods fitting the most the real indoor microclimates were selected for testing. The campaign was run along with bibliographic research, to match laboratory results with those ones present in literature. The compatibility with the preexisting materials and products and the eco-efficiency of the plasters are two parameters that were kept in mind during the work. According to that, clay and gypsum based plastering mortars were selected as the most promising materials. Both, in fact, are present in traditional architecture, besides being suitable solutions for new construction, and have low embodied energy. However, while the clay-based plasters showed a high hygroscopic behavior, the gypsum-based ones showed a lower one. For this reason, the latter was modified through the addition of biomass and the clay-based plasters were kept as a benchmark along the study. The plant selected for the scope is Acacia dealbata, an invasive species that plays a role in the spread of wood fires in Portugal. The biowaste addition was aimed at enhancing the moisture buffering of gypsum-based plasters without jeopardizing other properties or their carbon footprint. Good results were obtained, increasing the moisture buffering ability of the gypsum plaster up to double, even if still lower than the clay-based ones. The ozone reactivity and primary and secondary emission rates (VOCs) of the innovative gypsum-based plaster and the clay-based ones were also analyzed. The ozone removal ability of the gypsum-based plaster was improved by the biomass addition, the primary emissions increased a little, but the secondary ones were very low. Clay-based plasters overall confirmed their low emissions and ozone removal activity.
- Rumo a uma modelação mais eficiente de estruturas de parede fina: combinando elementos finitos de barra com secção deformável e de cascaPublication . Manta, David Ventura; Gonçalves, Rodrigo; Camotim, DinarNesta tese desenvolvem-se, implementam-se, validam-se e aplicam-se estratégias computacionalmente eficientes para modelar estruturas de parede fina, aliando as vantagens dos elementos finitos de barra com secção deformável — compreensão do comportamento mecânico, através da análise da decomposição da solução em “modos de deformação da secção transversal” com um claro significado estrutural — e elementos finitos de casca convencionais — versatilidade e reduzido esforço computacional em problemas não-lineares. Os modos de deformação da secção transversal são obtidos a partir da Teoria Generalizada de Vigas (ou GBT, da sua designação em língua inglesa, Generalised Beam Theory). Exploram-se duas abordagens: (i) combinação, num mesmo modelo, de elementos finitos de barra com secção deformável (utilizando os modos de deformação da GBT) e de casca (optou-se pelo elemento MITC-4) e (ii) recuperação da participação dos modos de deformação da GBT a partir do pósprocessamento de resultados de modelos de elementos finitos de casca. Em ambos os casos, consideram-se vários tipos de análises: geometricamente lineares (elásticas, elastoplásticas e dinâmicas) e geometricamente não-lineares (análises lineares de estabilidade, de vibração e elásticas/elastoplásticas com grandes deslocamentos e rotações finitas). Na primeira abordagem os elementos finitos de barra são utilizados nas zonas elásticas, prismáticas e requerendo a consideração de um número reduzido de modos de deformação, enquanto os elementos de casca são empregues nas restantes zonas. Mostra-se que esta abordagem conduz a uma eficiência computacional significativa (face a modelos com apenas elementos finitos de casca) em toda a gama de análises consideradas, mesmo que, em alguns casos, seja necessário efetuar um refinamento adaptativo da malha. A segunda abordagem é útil quando os elementos finitos de barra com secção deformável não podem ser utilizados ou a sua utilização não é vantajosa do ponto de vista do esforço computacional. É de assinalar que, em virtude de poder ser implementada com relativa facilidade em programas existentes de elementos finitos (nomeadamente programas comerciais), esta abordagem tem um grande potencial de aplicação em Projeto, possibilitando a reinterpretação, à luz da GBT, dos resultados obtidos.
- Recovery of mining residues for eco-efficient mortar productionPublication . Almeida, Joana Saraiva Rocha de; Faria, Paulina; Ribeiro, AlexandraRaw materials are essential for human well-being, although their production, consumption and end-oflife are causing increasing environmental burdens. The Panasqueira mine has been operating for more than one century, being the main threat to its activity and for the surrounding ecosystem the disposal of significant amounts of old mining residues that contain substances of environmental concern. On the other hand, tungsten, considered a critical raw material, can be recovered from Panasqueira mining resources. In the construction sector, cement is one of the main contributors for greenhouse gas emissions and is the main binder used in mortar and concrete production. Hence, a partial replacement of this binder by secondary mining resources may bring economic, social, technical and environmental benefits. Efficient technologies to remove and recover elements from environmental matrices may promote safe storage and reuse. The electrodialytic (ED) treatment has demonstrated successful results on the removal of inorganic and/or organic contaminants from a wide range of resources. Thus, to address the challenges in climate change and environmental degradation issues, in both mining and construction sectors, the present work aimed at assessing the feasibility of applying the ED technology to mining residues for (1) the recovery of critical raw materials and the hydrogen that is inherently produced; (2) the removal of harmful compounds; (3) the production of a suitable matrix for further reuse in cementitious construction materials, and (4) the minimization of environmental impacts in the materials life cycle. The main results of the work developed demonstrated that the reuse of mining residues can decrease the consumption of primary resources and promote improvements in the sustainability of the industries involved, without high investments. Through the ED treatment, tungsten could be recovered in 22%, while the removal of arsenic may achieve 63%. The hydrogen produced can be recovered with 74% of purity. The production of cement-based mortars, replacing cement by treated mining residues, revealed similar performances to conventional mortars. Although a higher cement substitution percentage (50% volume) have caused some deterioration in mechanical resistance, the mortars produced demonstrated compatibility with current applications, as bedding mortars and fired brick masonry walls. The life cycle analysis also proved that the mortars produced allow impact mitigation in several environmental categories, namely in global warming potential, supporting the circular economy of sustainable construction products.
- Biotratamento e bioformulação ecoeficientes de tijolo cerâmico e argamassa de cal aéreaPublication . Oliveira, Alexandre Nunes de; Faria, Paulina; Pereira, AliceOs materiais de construção estão propensos a processos de degradação que, sob certas condições ou após algum tempo, causam danos. Bioformulação e biotratamento com produtos ecoeficientes são técnicas inovadoras que despertaram o interesse para otimização e proteção dos materiais de construção. Neste estudo atribui-se o termo bioformulação quando um bioproduto é utilizado na formulação e produção de novos ma-teriais de construção, por exemplo argamassas. Já o biotratamento é uma técnica em que um bioproduto é aplicado na superfície de materiais porosos ou em áreas localizadas, tais como fissuras. Estes efeitos refle-tem-se na proteção do material, atuando como um revestimento que reduz a absorção de água da chuva, e que, desde que não interfiram significativamente na secagem, aumentam a durabilidade. Essas biotecnologias baseiam-se nas atividades biológicas de enzimas ou células e frequentemente envolvem a precipitação de compostos químicos derivados do metabolismo bacteriano. Estas técnicas têm sido aplicadas recentemente em diferentes materiais, desde solos a materiais cimen-tícios. Os biotratamentos podem ser mais ecológicos e compatíveis com materiais de construção antigos em comparação com outros tratamentos de superfície sintéticos disponíveis no mercado. Neste trabalho, utilizaram-se bioprodutos inovadores de dois grupos: um com base em culturas de Es-cherichia coli suplementadas com ferro e outro com base em culturas microbianas mistas, cultivadas com produtos secundários industriais ou resíduos florestais. Estes bioprodutos foram utilizados em bioformula-ções de argamassas de cal aérea, para a otimização de algumas das suas características, e em biotratamentos realizados in situ, em tijolos expostos em parede, e em laboratório em provetes de tijolo cerâmico maciço e de argamassa de cal, para simular uma alvenaria de tijolo à vista e melhorar suas propriedades superficiais. Para além da aplicação dos bioprodutos diretamente após produção e após período de congelação, estes tam-bém foram utilizados liofilizados (em pó), tendo em vista a facilidade de transporte, armazenamento e prepa-ro em obra (bastando resuspender em água da torneira). Foram estudadas sete técnicas de aplicação: por go-tejamento com e sem alimentação, por pulverização, por contato com gaze umedecida, por pincelagem, por capilaridade e por imersão. Os resultados obtidos com os biotratamentos indicam que os bioprodutos utilizados foram eficientes, tendo reduzido substancialmente a capacidade de absorção de água, quando comparado com os controles (provetes não tratados), e que melhores resultados desta redução foram obtidos quando o bioproduto foi apli-cado por meio de gotejamento e por imersão, este último até ao primeiro mês após aplicação. Observou-se também que visualmente não foram detectadas alterações cromáticas. Por fim, os resultados mostraram ainda que as argamassas bioformuladas apresentam melhores características de redução de absorção de água.
- Optimization of historic buildings that house artefacts considering climate changePublication . Coelho, Guilherme Barreto Arez; Henriques, Fernando; Freitas, VascoHistoric buildings, and the artefacts that are usually kept within these buildings, are a living representation of the past and it is essential to ensure that future generations have access to this heritage. In order to accomplish this, it is necessary to determine the conditions that the buildings are in and, if needs be, to make the required changes in order to preserve our cultural heritage. In addition, the foreseen changes of the indoor climate caused by climate change can endanger the preservation of these artefacts, since they are prone to various types of decay depending on the existing indoor conditions. One way of counteracting these changes, is the application of passive retrofit measures. However, the guideline was that retrofit measures were hardly ever used in cultural heritage because they could cause the building to lose its authenticity. Nowadays, more and more cases of historic buildings are subject to this type of measures. Indeed, these measures can lead to positive outcomes, such as decreasing the energy consumption of the buildings or mitigating the effects of climate change, but the welfare of the cultural heritage must be ensured before these measured can be applied. Hence, the main aim of this thesis is to determine the potential of passive retrofit measures in mitigating the negative effects of climate change in the indoor climate of historic buildings, whilst accounting for the artefacts’ preservation requirements. For this reason, the indoor climate of a 13th century church in Lisbon was used to develop and validate a whole-building hygrothermal model. Then, the model was run using future weather files to determine the future indoor conditions, which were then assessed using a risk-based analysis and an adaptive thermal comfort model. Finally, the effects of the passive retrofit measures in the building’s energy consumption, the artefacts’ conservation metrics and the occupants’ thermal comfort were assessed. The future weather files were developed based on the methodology described in standard EN 15927-4 and in Skartveit and Olseth model, which divides the global radiation into its direct and diffuse components. In addition, a methodology that aims to make large-sized hygrothermal studies more time-efficient is also presented. This methodology was based in the studies developed in this thesis. It was shown that the conditions for the preservation of artefacts that are housed in historic buildings will worsen, especially in Mediterranean climates when compared to humid Continental and Oceanic climates. The tested retrofit measures can mitigate, up to a certain extent, the negative effects imposed by climate change in terms of artefacts’ conservation requirements. However, the Mediterranean climates do not have the same margin as the other tested climates. In addition, it was also shown that there is a positive outcome of implementing these measures in terms of energy saving potential. These savings will even be higher if these measures are combined with a more adequate relative humidity and temperature setpoint strategy.