Teses de doutoramento

Nature-Based Solutions (NBS) are crucial to achieving the goals of the United Nations Agenda 2030 for sustainable development and other global agendas, such as the Paris Agreement on Climate Change. In the last decade, the NBS umbrella concept has become more relevant intending to contribute to urban resilience and to address the climate change challenges. NBS are living solutions inspired by nature that use or mimic natural processes intending to face several societal challenges, from the perspective of resource-efficient use and the promotion of economic and environmental benefits. Currently, cities are encouraged to understand and measure the NBS contribution to identify adequate strategies for enhancing resilience and prioritize investments accordingly. The objective of the present thesis is to promote and enhance the NBS implementation in cities, focused on solutions for stormwater management and control. Based on the analysis of their contribution to urban resilience, the potential to meet environmental, social, and economic challenges and to adapt across diverse urban scales and contexts is demonstrated. In this sense, a Resilience Assessment Framework (RAF) to assess the NBS contribution to urban resilience was developed. This framework aims to assess the NBS contribution to urban resilience. Moreover, a Guidance for the RAF application in cities with different resilience maturity was developed, which involved the RAF validation by seven cities (from a national and international context), that participated voluntarily in this phase. In this context, the developed RAF is comprehensive and multidimensional. It is driven by the definition of objectives, criteria, and metrics, according to the proposed structure for assessing the water supply and wastewater system service performance in the framework of the ISO 24500 standards of the International Organization for Standardization. For an oriented assessment of the criteria, qualitative and quantitative metrics were defined, considering data from different sources and complexity. Reference values were also identified and metrics' classifications were defined. In this classification, each answer is associated with a resilience development level, intending to assess the NBS contribution to urban resilience on a normalized scale. To support the RAF application to cities with different resilience maturity (in terms of resilience and available information), three analysis degrees (essential, complementary, and comprehensive) and a set of metrics were proposed, which are pre-defined in the guidance for the RAF application. To support the selection of the analysis degree more adequate to any city, a structure to characterize the city's profile was developed. This complementary profile also supports the interpretation of the RAF results, both at the city and at the level of specific NBS. To conclude, the application of the RAF essential analysis degree to the seven participating cities, with different challenges regarding urban resilience and NBS, and of the comprehensive analysis degree (complete RAF) to Porto´s urban area, through an assemble assessment at the city and NBS levels, were presented.

Over the past two decades, performance assessment (PA) has been one of the areas show-ing the greatest advancement in the water sector. PA aims to measure effectiveness and/or efficiency of an activity or process using performance metrics, supporting the decision-making process and the continuous improvement of water utilities. Despite the potential benefits, few projects, and initiatives on PA have been undertaken regarding storm water systems (SWS). The present thesis aims to develop a performance assessment framework (PAF), applicable to both conventional SWS and sustainable urban drainage systems (SUDS), objective driven and focused on systems’ functioning aspects, to promote the adoption of PA by water utilities, municipalities, and other institutional organisations. The developed PAF integrates eight objectives, 25 assessment criteria and 80 perfor-mance metrics. The PAF is applied to five real case studies served by conventional SWS or SUDS, to test its applicability and validate its components. The assessment of two case studies served by conventional SWS, as part of the internal validation phase, revealed problems related to flooding occurrences, illicit domestic connections, insufficient hy-draulic capacity, and lack of self-cleaning capacity in some pipes. The SUDS case study translated an overall acceptable performance, with the identification of the advantage of management trains in SUDS layout. The external validation phase was carried out in col-laboration with two Portuguese water utilities, leading to the consolidation of the PAF proposal. For each water utility, case studies were selected. The assessment identified areas with vulnerabilities to flooding occurrences and parts of the SW infrastructure need-ing urgent rehabilitation. Lack of funding, data availability and regulatory frameworks for SWS are some of the listed factors that hinder the PA implementation. The PAF pro-vides a reference basis in the sector, applicable to different types of SWS, covering dif-ferent performance dimensions. It facilitates and promotes the implementation of PA, to prepare for current and future challenges.

Infrastructure asset management (IAM) has been increasingly becoming a key topic in the mind-set shift of the water sector managers and policy makers, allowing to assist in the operational, tactical and strategic decision-making in urban water infrastructures. Nevertheless, IAM implementation by the water utilities is still far from needed and not widespread, due to several challenges and constraints, mainly associated with limited human, technological and financial resources. The current research aims at enhancing urban water infrastructure asset management through an integrated decision-making approach, that includes novel methodologies for condition assessment, service life prediction and cost modelling. This approach can be applied at three assessment levels – macro, meso and micro – allowing the identification of intervention priority assets and the study of different long-term rehabilitation solutions, when applied at the meso and macro level, and the diagnosis, prioritization and study of different intervention solutions at the micro assessment level.

Transportation infrastructures are vital to our society. These infrastructures naturally tend to deteriorate over time. A set of activities is then required to manage existing assets in accordance with sound management principles. These activities are usually integrated into systems that manage infrastructures according to technical, social and economic aspects. This research aims to examine the potential of applying machine learning techniques to current transportation infrastructure management systems. Machine learning is an application of artificial intelligence enabling systems to automatically learn and improve from experience (data), arriving at solutions not explicitly programmed. Powered by algorithms that can learn from data, machine learning leads to efficient and effective systems that improve over time. Over the last few years, the application of machine learning has transformed several industries and could do so for transportation infrastructure as well. To achieve the research objectives, a set of studies was performed. Each of these studies had a specific objective, the set of which can be expressed as follows: to define combined performance indicators for pavement condition assessment using machine learning; to develop machine learning models for pavement performance prediction; to formulate machine learning solutions to overcome pavement data issues, such as missing data; to integrate machine learning techniques into decision support systems for pavement maintenance management. Together these studies explored the development of machine learning applications for solving some standard pavement management problems, providing insights into the application of machine learning to transportation infrastructure management systems. The studies successfully demonstrated the potential of machine learning applications for pavement management systems. It showed that machine learning is applicable to various transportation asset management problems, such as condition assessment, performance prediction, and decision support, and that it is able to outperform some of the analytical techniques currently used. Overall, this research work finds that machine learning is a promising tool for transportation infrastructure management systems.

Wireless Sensor Networks (WSN) are being progressively used in several application areas, particularly to collect data and monitor physical processes. Moreover, sensor nodes used in environmental monitoring applications, such as the aquatic sensor networks, are often subject to harsh environmental conditions while monitoring complex phenomena. Non-functional requirements, like reliability, security or availability, are increasingly important and must be accounted for in the application development. For that purpose, there is a large body of knowledge on dependability techniques for distributed systems, which provides a good basis to understand how to satisfy these non-functional requirements of WSN-based monitoring applications. Given the data-centric nature of monitoring applications, it is of particular importance to ensure that data is reliable or, more generically, that it has the necessary quality. The problem of ensuring the desired quality of data for dependable monitoring using WSNs is studied herein. With a dependability-oriented perspective, it is reviewed the possible impairments to dependability and the prominent existing solutions to solve or mitigate these impairments. Despite the variety of components that may form a WSN-based monitoring system, it is given particular attention to understanding which faults can affect sensors, how they can affect the quality of the information, and how this quality can be improved and quantified. Open research issues for the specific case of aquatic monitoring applications are also discussed. One of the challenges in achieving a dependable system behavior is to overcome the external disturbances affecting sensor measurements and detect the failure patterns in sensor data. This is a particular problem in environmental monitoring, due to the difficulty in distinguishing a faulty behavior from the representation of a natural phenomenon. Existing solutions for failure detection assume that physical processes can be accurately modeled, or that there are large deviations that may be detected using coarse techniques, or more commonly that it is a high-density sensor network with value redundant sensors. This thesis aims at defining a new methodology for dependable data quality in environmental monitoring systems, aiming to detect faulty measurements and increase the sensors data quality. The framework of the methodology is overviewed through a generically applicable design, which can be employed to any environment sensor network dataset. The methodology is evaluated in various datasets of different WSNs, where it is used machine learning to model each sensor behavior, exploiting the existence of correlated data provided by neighbor sensors. It is intended to explore the data fusion strategies in order to effectively detect potential failures for each sensor and, simultaneously, distinguish truly abnormal measurements from deviations due to natural phenomena. This is accomplished with the successful application of the methodology to detect and correct outliers, offset and drifting failures in real monitoring networks datasets. In the future, the methodology can be applied to optimize the data quality control processes of new and already operating monitoring networks, and assist in the networks maintenance operations.

A state-of-the-art revision of immersed tunnels is done. The selected case-study for this thesis, an immersed tunnel for crossing Tagus River between Algés and Trafaria, is presented. Next, cases of earthquake-induced liquefaction and its associated mechanism are discussed. The most relevant constitutive models for the numerical simulation of the response of soils under cyclic loading are described, including the Manzari-Dafalias model. Subsequently, Tagus River sand is physically characterized and six monotonic drained triaxial tests are analysed, with the goal of characterizing the stress-strain behaviour of the sand and obtain its parameters. Five cyclic undrained torsional tests are also analysed with the goal of characterizing cyclic behaviour of the sand. Then, the calibration framework for the Manzari-Dafalias model is presented, combining results of laboratory tests with numerical sensitivity studies. A parameter sensitivity analysis is carried out to understand the relevance of some chosen model parameters, by using an OpenSees constitutive driver, both through numerical simulation of monotonic drained triaxial tests and of cyclic undrained torsional tests. Some model parameters are calibrated directly from triaxial testing. The remaining parameters are calibrated through numerical simulation and curve fitting of the model to the laboratory results. A new constitutive driver is implemented in MATLAB to clarify some of the Manzari-Dafalias model issues, namely in the liquefaction phase. Finally, multiple liquefaction mitigation measures, and their application in immersed tunnels, are described. Laboratory testing of a mitigation measure, specifically injection of a duromeric expansive polyurethane resin, commercially available, is accomplished. The physical characteristics of both the resin and of the sand-resin mixture are presented. A series of tests, namely high frequency ultrasonic pulse tests, uniaxial compression and tensile tests, and triaxial compression tests, are performed. The modulus of elasticity, the Poisson’s ratio, the uniaxial compressive and tensile strengths, the triaxial compressive strength and the shear strength parameters, are determined. Two additional injection tests are executed to check densification of the sand between injection columns and its relative density is determined. Finally, the main conclusions are summarized and guidelines for future developments are established.

Este trabalho tem como objetivo melhorar a eficiência energética dos sistemas de abastecimento de água através do desenvolvimento de uma metodologia orientada por objetivos e com recurso ao balanço energético e a métricas de desempenho que permitem identificar as principais origens de ineficiência energética dos sistemas, comparar diferentes alternativas de intervenção e contribuir para a melhoria contínua destes sistemas. A metodologia de investigação seguida contempla desenvolvimentos científicos aliados a uma aplicação prática num conjunto alargado de casos de estudo através de ferramentas de cálculo automático desenvolvidas para o efeito. Os desenvolvimentos científicos consistem na formulação matemática de um balanço energético flexível em termos de dados necessários para a sua implementação; o desenvolvimento de métricas de desempenho que permitem identificar a origem das ineficiências energéticas (equipamentos, perdas de água ou configuração e operação) e a sua sistematização numa metodologia que segue os princípios de melhoria contínua (Plan-Do-Check-Act). A aplicação a casos de estudo é efetuada em três etapas. A primeira etapa consiste na aplicação do balanço energético agregado e métricas de desempenho para diagnosticar ineficiências a nível global em sistemas sem modelo matemático. A segunda etapa consiste na aplicação de um balanço detalhado com recurso a modelos matemáticos, bem como uma análise de sensibilidade aos diferentes métodos. A terceira etapa centra-se na aplicação detalhada de dois casos de estudo para ilustrar a metodologia. Os principais resultados são: i) uma metodologia integrada para o diagnóstico água-energia em sistemas de abastecimento de água; ii) um novo balanço energético para sistemas de abastecimento de água; iii) resultados da aplicação do balanço e das métricas de eficiência energética em 110 sistemas; iv) ferramentas para cálculo das diferentes formulações de balanço energético e de métricas de desempenho; e v) valores reais e exemplos de soluções não convencionais que conduziram a melhorias de desempenho energético.

The importance of the selection of the type of aggregates and their effects on the modification of mortar properties is widely recognized. However, despite recent scientific advances on the effect of aggregates on the properties of mortars and concretes, few studies show how the characteristics of aggregates affect the microstructure and consequently, the final quality of mortars. Moreover, in general, existing studies show that there is an approach mostly related to the use of Portland cement, which several researchers have already shown that have adverse effects, when it is used in rehabilitation works of ancient buildings. In the context of rehabilitation, this factor is particularly relevant, since the main objective is to obtain mortars with specific characteristics and performances compatible with those that exist in old masonry. The aggregate, as an integral part of mortars, and in some cases defined as their "skeleton", has a direct influence on the microstructure of mortars, which, in turn, influences the physical, chemical and mechanical properties, as well as the finishing and the final appearance of the renders, especially in the case of lime mortars. Therefore, the present study intends to contribute to a better knowledge of the influence of mineralogical and physical characteristics (grain size distribution and shape) of the natural aggregates on the mortars’ pore structure and, consequently, on their physical-mechanical behaviour and their durability, in particular for the rehabilitation of old buildings. This knowledge will allow, in a substantiated way, optimizing the various parameters and defining repair solutions for different fields of application. To achieve these goals, an extensive laboratory characterization methodology was developed: parameters like the workability and water retentivity of fresh mortars; mechanical strength, adhesion to the substrate and hygric properties of hardened mortars; as well as the performance of the mortars subjected to salt crystallization and freeze/thaw cycles, were used. Furthermore, a chemical, mineralogical and microstructural characterization was also performed in order to relate the physical and mechanical results with the microstructural changes, namely concerning dimensions and volume of pores, during the carbonation and/or hydration processes. The results show that the aggregates characteristics have a relevant influence on the microstructure of mortars, namely in air lime mortars. However, different ranges of pores influence different properties of mortars, regardless the type of binder or aggregate used in their composition. Generally, a reduction in macroporosity leads to higher mechanical strength, namely compressive strength. However, the reduction in the diameter of the macropores can lead to an increase of capillary porosity and microporosity, which tends to compromise the durability.

As estações de tratamento de águas residuais (ETAR) são atualmente alvo de esforços de melhoria do seu desempenho técnico, ambiental e económico. Empresas, reguladores e organismos de financiamento têm utilizado sistemas de avaliação de desempenho para apoiar as suas decisões. Neste contexto, o LNEC desenvolveu a 1.ª e 2.ª geração do sistema de avaliação de desempenho (PAS) de ETAR baseado em indicadores (PIs) e índices de desempenho (PXs). Para ambos, os valores de referência para o julgamento do desempenho são elementos chave. Apesar de serem elementos cruciais, os valores de referência precisavam ainda de ser definidos para avaliar e melhorar o desempenho das ETAR com foco na eficiência energética e gestão de afluências pluviais. Assim, o objetivo da tese foi desenvolver a terceira geração do PAS com valores de referência para avaliar o desempenho. Os PIs e PXs focam os objetivos principais da ETAR, ou seja, garantir a sustentabilidade técnica, econômica e ambiental, garantindo um tratamento eficaz e fiável com o consumo mínimo de energia, reagentes e produção de lamas. A estratégia seguida consistiu em desenvolver ou selecionar a partir da segunda geração do PAS sub-conjuntos de PIs e PXs de acordo com os objetivos, nomeadamente, eficácia, fiabilidade, desempenho energético e consumo de reagentes e gestão das lamas. Os valores de referência foram derivados com base numa revisão da literatura, equações empíricas e/ou estudos de campo e, sempre que aplicável, incorporam o efeito de parâmetros chave, de modo a avaliar o efeito das variações de caudal e de concentração. Foi desenvolvida uma análise estatística dos PXs para avaliar a fiabilidade da ETAR. Foi também demonstrada a flexibilidade do sistema de avaliação de desempenho para diferentes objetivos e uma abordagem para diagnosticar oportunidades de melhoria do desempenho, utilizando os PIs e PXs num ciclo PDCA (plan-do-check-act).

Na presente dissertação, desenvolveu-se uma metodologia para caracterização do movimento de um navio amarrado no interior de portos na presença de um campo de ondas. Esta metodologia consiste em utilizar vários modelos numéricos para caracterizar convenientemente: a) a propagação das ondas desde o largo até ao local de acostagem; b) a modificação das características das ondas no interior do porto; c) a ação das ondas sobre o navio; d) a resposta do navio; e) as forças resultantes no sistema de marração. Os modelos utilizados são: · SWAN: modelo não linear espectral para simular a propagação de ondas em zonas costeiras extensas; · DREAMS: modelo linear para simular a propagação de ondas em zonas costeiras abrigadas; · BOUSS-WMH: modelo não linear para simular a propagação de ondas regulares e irregulares em zonas costeiras abrigadas; · GMALHA: gerador de malhas de elementos finitos triangulares; · WAMIT®: que resolve, no domínio da frequência, os problemas de radiação e de difração na interação de um corpo flutuante livre com as ondas; · NPP: gerador de painéis planos sobre o casco do navio; · HYDRO: que transforma os resultados da interação do corpo flutuante livre com as ondas do domínio da frequência para o domínio do tempo; · BAS: que resolve as equações de movimento de um navio amarrado. O desempenho do modelo BOUSS-WMH, em situações de grande não linearidade, foi analisado através da simulação de quatro casos de teste também simulados em laboratório. O BOUSS-WMH provou ser um modelo robusto capaz de representar a deformação da superfície livre de forma adequada, embora, em zonas com forte não linearidade, tenha apresentado algumas limitações, nomeadamente na formação de harmónicas de ordem superior à terceira. Verificou-se que os resultados numéricos tendiam a sobrestimar os valores da altura de onda em zonas pouco profundas. Para minorar estas limitações e tornar o modelo mais robusto, fiável e adequado para ser aplicado em casos reais, foram adicionados e implementados novos termos às equações do modelo BOUSS-WMH, nomeadamente, a reflexão parcial, o atrito de fundo e a rebentação (fenómenos físicos inerentes às águas pouco profundas e zonas confinadas). A reflexão parcial foi implementada a partir da adição de um termo de viscosidade na equação de conservação da quantidade de movimento. O modelo com reflexão parcial foi aplicado a dois casos de teste, sendo um deles um caso real (Porto de Vila do Porto, ilha de Santa Maria, Açores), e os resultados foram comparados com medições em ensaios em modelo físico. Verificou-se que a implementação da reflexão parcial diminui em 44% o erro médio quadrático face à simulação com fronteiras totalmente refletoras. O atrito de fundo foi implementado a partir da adição de um termo representativo da tensão tangencial de fundo à equação de conservação da quantidade de movimento. O modelo com atrito de fundo foi aplicado a dois casos de teste, sendo um deles um caso real (Praia de Faro). Verificou-se que a introdução do atrito de fundo dissipa energia como pretendido e reduz as instabilidades numéricas. A rebentação foi implementada com a introdução de um termo de viscosidade turbulenta. Dois critérios distintos foram introduzidos para definir o início e o final da rebentação: a) FSA, baseado na aceleração da elevação da superfície livre; b) RTFN, baseado no número Froude relativo da cava. O modelo com rebentação foi aplicado a três casos de teste estudados em laboratório. A comparação dos resultados do modelo com as medições dos ensaios físicos permite dizer que, de um modo geral, o modelo numérico simula muito bem a localização da rebentação, bem como a dissipação de energia a ela associada. O critério de rebentação baseado no método de RTFN tende a sobrestimar a altura das ondas, mas apresenta índices de concordância maiores do que os obtidos com o critério FSA. A vantagem deste método reside no menor número de parâmetros a calibrar. Os resultados alcançados foram muito bons, dada a complexidade do fenómeno de rebentação das ondas e a simplicidade dos termos utilizados na sua modelação. O gerador GMALHA também foi alvo de melhoramentos nos algoritmos de geração, de forma a possibilitar a existência de ilhas no interior do domínio de cálculo. O modelo numérico WAMIT® foi desenvolvido para aplicações em mar aberto sem muitas estruturas refletoras próximas do navio. Todas as estruturas devem ser discretizadas, o que aumenta exponencialmente o esforço computacional exigido, e são obrigatoriamente totalmente reflectoras. Ora esta é uma limitação importante quando se está no interior de um porto, primeiro devido às dimensões e depois devido às fronteiras parcialmente refletoras. Assim, o modelo WAMIT® foi modificado de modo a incluir as características das ondas modeladas previamente com um dos modelos de propagação. Foram desenvolvidas duas novas rotinas HASK_D e HASK_B, respetivamente para o modelo linear DREAMS e para o modelo não linear BOUSS-WMH. Estas rotinas e as modificações ao modelo WAMIT® foram validadas com a aplicação a casos simples onde o modelo WAMIT® original também podia ser aplicado. A presença de um campo de ondas difratadas pela presença de uma estrutura fixa foi simulada com sucesso. Existem diferenças pouco significativas, principalmente nas altas frequências. Uma explicação para estas diferenças relaciona-se com o facto de que as ondas com períodos baixos apresentam maiores instabilidades numéricas à medida que diminui o número de pontos por comprimento de onda na malha de elementos finitos. Com o intuito de facilitar o tratamento da informação, que, num estudo deste género, tem um volume e complexidade consideráveis, foram desenvolvidas interfaces para cada um dos modelos e estes foram acoplados numa ferramenta integrada – SWAMS – Simulation of Wave Action on Moored Ships. A ferramenta SWAMS facilita a execução dos modelos numéricos e a interligação entre eles é simplificada e automatizada. Finalmente, a ferramenta SWAMS foi validada ao ser aplicada a dois casos reais (Porto de Leixões e Porto de Sines). O primeiro caso simulado foi o de um navio amarrado no Terminal 3 do Porto de Leixões. Os resultados de ensaios em modelo físico foram utilizados para validar o SWAMS. Foi possível identificar, através das simulações numéricas, que alguns parâmetros, necessitavam de ser calibrados. Constatou-se que, uma análise de sensibilidade, não só aos parâmetros, mas também a pequenas variações nas caraterísticas das ondas, deve sempre acompanhar um estudo desta natureza. Verificou-se que os resultados numéricos, obtidos com o SWAMS, são muito semelhantes aos ensaios físicos, em termos de períodos e amplitudes das oscilações dos movimentos e das forças. O erro relativo das forças máximas no sistema de amarração é, salvo raras exceções, muito baixo. O amortecimento do navio, devido ao sistema de amarração, é bem simulado pelo SWAMS. A comparação dos resultados do SWAMS com os que se obteriam utilizando o modelo WAMIT® original, com uma parede vertical junto ao navio, mostra uma melhoria muito significativa. Confirmou-se que a representação física das fronteiras do porto e da sua envolvente influenciam os resultados obtidos e permitem obter uma maior aproximação à realidade. Concluiu-se ainda que a resposta de um navio amarrado no interior de um porto pode ser subestimada se não forem consideradas todas as transformações lineares e não lineares das ondas inerentes ao facto de estarem confinadas entre fronteiras refletivas e praias onde a profundidade é progressivamente decrescente. O segundo caso simulado foi o de um navio amarrado no Terminal XXI do Porto de Sines. Foi estabelecido o regime de agitação em frente ao molhe leste a partir dos registos na boia Sines1D transferidos com o modelo numérico SWAN. Foram analisadas as condições de agitação ao longo do cais acostável para 3 alternativas (alt1, alt2 e alt3) da configuração do quebra-mar que protege o Terminal. Analisaram-se os movimentos de um navio amarrado no posto 1 e forças no sistema de amarração para essas alternativas. Utilizou-se o modelo BOUSS-WMH para propagar o estado de agitação verificado ao largo (medido na boia) num dia em que foram relatados problemas de movimentos excessivos de navios. Verificou-se que as alterações propostas, apesar de diminuírem a agitação no seu interior, levam a um aumento das forças no sistema de amarração do navio. Desta forma, o que parece ser uma medida para reduzir a agitação marítima no interior do porto, tem o efeito contrário devido a fenómenos ressonantes e consequente amplificação das alturas de onda. Foi também efetuado um estudo de ressonância com ondas longas. Analisaram-se alguns dias específicos em que ocorreram problemas de movimentos excessivos e cabos partidos nos navios. Os períodos medidos no marégrafo (instalado próximo ao posto1) naqueles dias coincidem com os períodos de ressonância da bacia do Terminal XXI obtidos pelo modelo numérico DREAMS, o que permite intuir que a ressonância das oscilações da superfície livre é o fenómeno que causa a maioria dos problemas operacionais e de segurança neste Terminal. Para verificar esta assunção fizeram-se simulações do comportamento do navio amarrado, sujeito a um conjunto de ondas longas. Comparou-se a força máxima obtida nas amarras. Verificou-se que existem gamas de frequências que podem ser excitadas e que provocam a ressonância do sistema navio+amarração. Concluiu-se que apenas uma análise integrada permite identificar todas frequências suscetíveis de causar problemas aos navios amarrados.